北方灌渠防凍機理及其技術(shù)分析范文

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寒冷地區(qū)是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，僅黑龍江省列入續(xù)建改造的大型灌區(qū)就有20處，設(shè)計總面積55.674萬hm2，總投資56.41億。然而寒冷地區(qū)許多灌區(qū)在續(xù)建改造過程中，面臨著渠道襯砌凍脹破壞嚴重和滲漏損失嚴重等問題，經(jīng)濟實用的渠道防凍脹工程技術(shù)，是確保我國大中型灌區(qū)續(xù)建改造工程的順利完成和確保國家新增千億斤糧食生產(chǎn)能力的重要保障。

1寒冷地區(qū)渠道襯砌凍脹機理

寒冷地區(qū)渠道襯砌發(fā)生凍脹破壞的主要原因是基土凍脹，溫度、基土含水量和基土土質(zhì)是引起基土凍脹的三大要素。一般而言，基土中小于0.05mm的土粒大于總土重6%的土稱為凍脹性土。當?shù)貧鉁亟档浇Y(jié)冰點以下時，渠道襯砌和基土層接觸面間孔隙中的水分凍結(jié)產(chǎn)生冰晶體，冰晶體逐漸發(fā)展形成初始凍結(jié)面；氣溫繼續(xù)降低，在基土層孔隙中的水分也凍結(jié)形成冰晶體，在毛細力作用下，更深部位土體中的水分向上部遷移，上部土體中冰晶體逐漸增大，從而形成凍土層。隨著冬季氣溫的持續(xù)降低，基土層下部未凍結(jié)區(qū)的水分在毛細力作用下持續(xù)向上部凍結(jié)區(qū)遷移，水分的上移不僅使凍結(jié)深度加大，而且使得凍結(jié)區(qū)內(nèi)含水量激增，導(dǎo)致基土凍結(jié)膨脹加劇。當基土凍脹力超過其上部覆蓋的渠道襯砌的結(jié)構(gòu)強度時，渠道襯砌被頂裂或頂起，發(fā)生凍脹破壞。

2渠道襯砌防凍脹工程技術(shù)

國外發(fā)達國家，近年來多采用“抵抗”凍脹的技術(shù)措施，用鋼筋混凝土取代素混凝土，并結(jié)合砂礫料換填層、加固基礎(chǔ)、增設(shè)排水等措施，如日本現(xiàn)在多采用鋼筋混凝土矩形渠槽加換填材料方式，美國、俄羅斯，則多采用混凝土或鋼筋混凝土大型平板形式。這些措施抗凍脹效果好，但工程造價高，不適合我國國情。

針對寒冷地區(qū)渠道凍脹破壞，我國經(jīng)過30多年的研究及實踐，制定了SL23—2006《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》，提出“允許一定凍脹位移”的工程設(shè)計標準和“回避、適應(yīng)、削減或消除凍脹”的防凍脹原則，并根據(jù)寒冷地區(qū)渠道襯砌凍脹機理，從改進渠道斷面形式、基土層保溫、防水和換填等方面，提出了一系列經(jīng)濟實用的工程技術(shù)措施，開展了大量研究和實踐工作，取得了豐碩的成果。

2.1渠道襯砌防凍脹自適應(yīng)斷面

渠道襯砌抗凍脹能力與斷面形式有很大關(guān)系。我國現(xiàn)有渠道大都為梯形或矩形斷面，常在坡底位置處設(shè)置伸縮縫。根據(jù)觀測資料，基土凍脹向上變形時，渠底襯砌受到兩端坡底砌塊約束，實為支承于兩端坡底的簡支板向上發(fā)生彎曲變形，襯砌內(nèi)部出現(xiàn)的是拉應(yīng)力，由于混凝土的抗拉強度很低，在較小的拉應(yīng)力作用下就會出現(xiàn)開裂，因此凍脹時渠底襯砌往往在中部出現(xiàn)縱向彎折裂縫。

同樣，渠道邊坡也經(jīng)常出現(xiàn)縱向裂縫，由于受地下水位的影響，渠道邊坡裂縫部位多在中下部，距邊坡底部1/4~1/3坡長處。將梯形或矩形斷面形式，根據(jù)實際輸水規(guī)模相應(yīng)的改進為弧形斷面（圖1）、弧形坡腳（圖2）或U型渠道（圖3）等凍漲自適應(yīng)斷面。改進斷面一方面利用弧形坡腳或弧形渠底，改善現(xiàn)有渠道坡腳應(yīng)力集中的受力特點。同時這樣的渠道在受來自基土的凍脹力時，由簡支結(jié)構(gòu)變?yōu)榉垂敖Y(jié)構(gòu)，襯砌內(nèi)部應(yīng)力由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。由于混凝土的抗壓強度遠高于抗拉強度，因此，改進后的斷面形式可以有效地適應(yīng)基土凍脹，不易產(chǎn)生大的貫穿裂縫。相關(guān)研究表明[1]，采用弧形斷面或弧形坡腳時，沿渠軸線方向和沿渠坡方向每隔3～4m，需設(shè)凍脹變形縫。U型渠襯砌圓弧直徑應(yīng)小于2.0m，圓弧上部直線段應(yīng)采用小于l∶0.2的斜坡。

2.2基土層保溫

基土凍脹的一個主要原因是低溫。在渠道襯砌和基土層之間鋪設(shè)爐渣、泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板、膨脹珍珠巖保溫層制品等保溫隔熱材料，利用其導(dǎo)熱系數(shù)低的性能，緩解渠基土周圍熱量的輸入輸出及轉(zhuǎn)化過程，從而減緩基土層內(nèi)部水熱耦合作用，進而人為的降低凍土層的深度和凍脹程度，有效的消減基土凍脹，起到相對提高渠道襯砌防凍脹性能的作用。相關(guān)研究表明[2]，10cm厚的聚苯乙烯泡沫板，可起到100cm厚砂層的保溫效果。

2.3基土層防水

當基土層中的含水量大于基土起始凍脹含水量時，將出現(xiàn)較明顯的凍脹現(xiàn)象。防止渠道滲水和地下水對凍土層的水分補給，并及時排除滲水和地下水，降低基土層含水量，是有效削減凍脹的根本措施之一。對于襯砌渠道，縱向施工縫和橫向溫度縫是渠道滲水的主要部位。為減小滲水，在滿足溫度及施工要求的條件下，不論預(yù)制裝配還是現(xiàn)場澆筑均應(yīng)盡量減少縫的數(shù)量。相關(guān)研究表明[3]，為增加防滲效果，可在施工預(yù)留縫下鋪設(shè)不小于1m寬度的防滲塑膜。砌塊間接縫處理要保證質(zhì)量，縫內(nèi)砂漿飽滿，表面抹壓平實。采用復(fù)合防滲襯砌結(jié)構(gòu)時，砌塊下的塑膜應(yīng)沿渠道全斷面鋪設(shè)，并用折迭方法拼接加長。

2.4基土層換填

基土層換填是防治凍害的重要措施之一。一般地基土屬于Ⅲ級及以下凍脹性土?xí)r，可根據(jù)當?shù)貙嶋H料場情況，采用風(fēng)積砂、砂礫石等弱凍脹性土，置換渠基凍結(jié)深度內(nèi)部成分或全部原有土層。由于風(fēng)積砂等弱凍脹性土在凍結(jié)過程中，土壤水分向與凍結(jié)面相反方向轉(zhuǎn)移，水分的減少將有效的削減凍土層深度和凍脹程度。為了保證滲透穩(wěn)定，換填材料與下墊面原狀土之間，需設(shè)置反濾層或用非織造土工織物隔離，同時換填層需設(shè)置排水設(shè)施。換填深度可根據(jù)地下水位的高低、基土的性質(zhì)、凍深的分布狀況和襯砌結(jié)構(gòu)的允許變位值、按SL18—2004《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》確定。相關(guān)研究表明[4]，風(fēng)積砂換填層的防凍脹效果隨換填厚度的增加而增加，換填率70%左右較優(yōu)，實測換填層內(nèi)凍脹率在3%以下，防凍脹效果在90%以上。

3結(jié)語

寒冷地區(qū)渠道襯砌的凍脹破壞，是渠道自身和外界環(huán)境共同作用的結(jié)果，與襯砌體結(jié)構(gòu)、材料、渠基土質(zhì)、含水量、溫度及渠道走向等因素密切相關(guān)。從渠道斷面形式、基土層保溫、防水和換填4個方面，提出了一系列經(jīng)濟實用的工程技術(shù)措施，結(jié)果表明：

1）弧形襯砌渠道受基土凍脹力時，襯砌內(nèi)部將產(chǎn)生壓應(yīng)力，而非拉應(yīng)力，由于混凝土的抗壓強度遠高于抗拉強度，因此弧形襯砌可以有效地自適應(yīng)基土凍脹。

2）在渠道襯砌和基土層之間鋪設(shè)保溫隔熱材料，可以適當?shù)淖柚够翜囟鹊慕档停鸬较麥p基土凍脹的作用。

3）在襯砌預(yù)留溫度縫下或全斷面鋪設(shè)防滲塑膜，可以有效防止渠道滲水對凍土層的水分補給，進而有效地消減凍脹。

）基土層換填風(fēng)積砂等弱凍脹性土后，凍結(jié)過程中土壤水分向與凍結(jié)面相反方向轉(zhuǎn)移，水分的減少將有效的削減凍土層深度和凍脹程度。