淺談混凝土防滲渠道防凍脹的技術措施

黃付林

0 引言

八團是屬新疆生產建設兵團農一師塔里木灌區(qū),農一師灌區(qū)位于歐亞大陸腹地,天山南麓中段,塔里木河上游塔克拉瑪干沙漠北緣。年降雨量40.1 mm～82.5 mm,年蒸發(fā)量 1 893.2 mm～2 558.9 mm,日照2 760.5 h～2 991.8 h,屬極端干旱的純灌溉型綠洲農業(yè)區(qū),自然環(huán)境惡劣。一年中最冷月1月份的平均氣溫為-15℃～-10℃,平均凍深56 cm,最大凍深可達80 cm。由于氣候寒冷,興建的防滲渠道極易受到凍脹的破壞。因此進一步研究渠道凍脹破壞的機理,采取有效的措施預防它,對保證各級防滲渠道的正常運行,減少維修養(yǎng)護的費用意義重大。

1 渠道凍脹機理

渠道凍脹破壞是由于渠基土受凍體積膨脹頂托襯砌而形成。渠基土受凍體積膨脹必須具備以下條件:

1)寒冷氣候區(qū)持續(xù)的負溫條件;

2)土壤中自由水和毛細水的存在,并且有通暢的水分補給通道;

3)土壤本身的物理力學性質,包括土的顆粒組成,礦物質成分等。

在以上三個條件中,土壤中自由水和毛細水的存在是凍脹發(fā)生的先決條件,也是必備條件,在整個凍脹破壞過程中,水是最活躍的因素。

從目前灌區(qū)受凍脹破壞的渠道來看,基本上位于灌區(qū)中下游。這是因為在灌區(qū)中下游地區(qū),地下水埋深淺,土壤顆粒細,土體中自由水和毛細水的補給十分充足。一旦氣溫下降至0℃以下,土體中的自由水和毛細水的體積受凍膨脹,引起土體膨脹,頂托襯砌,破壞渠道。凍脹破壞不但發(fā)生在挖方渠道中,在半挖半填渠道中也普遍存在。由此可以看出,毛細水的凍脹性也不容忽視。

2 渠道防凍脹處理方法

1)改變渠道結構形式。

用“U”形或矩形斷面來代替梯形斷面。但這種處理形式只適用于流量小于1 m3/s的小渠道。對于大渠道來說,若采用這種處理方式,難免造成造價和施工難度的加大,且幅度還較大。上述導致土體凍脹的三個基本因素中,只有三個因素同時具備,才發(fā)生凍脹破壞。只要消除其中一個因素,就能防止和減輕凍脹危害。從目前當?shù)氐臍夂驐l件來看,外部溫度不達負溫是不可能的,因此只有采取保溫措施達到內部不負溫。切斷凍土地基在凍結前后的水分補給是過去防凍脹處理常用的方法。

2)改變渠基土體的基本結構。

要切斷凍土地基在凍結前后的水分補給,通常是采用高填或排水措施來減少水分的補給。但是由于土體顆粒及物理力學性質,毛細水的作用不可忽視。毛細水往往上升至地下水面以上2 m～3 m的平面上,同樣會對渠產生凍脹破壞。

改變基土的基本結構的辦法是:選用非凍脹性的砂礫土料,置換原凍脹性地基土。這種換填工程量較大,換填厚度一般要不小于凍土深度。在凍土深度小的地區(qū)使用尚可,若在凍土深度較大的地區(qū)使用,往往工程量是巨大的。

3)采用聚苯乙烯泡沫塑料板(以下簡稱苯板)保溫。

近來隨著新型建筑材料的問世,苯板越來越多地應用于渠道的防凍脹處理,其防凍脹的主要機理是它具有保溫的功效,保證了渠基土不受負溫的影響。

苯板的選擇:a.要選擇重質板,表觀密度不得小于 20 kg/m3。b.板的厚度選擇可按下式計算求得:

其中,δx為保溫材料厚度,m;R0為工程保溫基礎設計熱阻值,(m2?℃)/W;αW為保溫材料的導熱系數(shù)修正系數(shù);δc為基礎材料厚度,m;λx為保溫材料在自然狀態(tài)下的導熱系數(shù),W/(m?℃);λc為基礎材料的導熱系數(shù),W/(m?℃)。

3 渠道防凍脹處理形式比較

在高地下水位區(qū),即使采取了斷絕土壤中水分補給的措施,仍難以保證阻止毛細水的上升,因此還必須采取其他防凍脹處理形式。

對渠基土進行換填是一種防凍脹的處理形式,它既改變了渠基土的結構,又具有一定的保溫作用。它的優(yōu)點是:

1)當渠道附近有大量換填材料時,造價可能低;

2)由于對渠基進行了徹底換填,當質量達到要求時,可保證渠道永久不受凍脹危害。

同時也具有以下缺點:

1)由于換填厚度大,土方工程量較大,當換填材料運距較遠時,造價較高;

2)施工難度大,清除了渠基原土,換填后的砂或砂礫石難以進行夯實,要達到施工規(guī)范要求,難度較大;

3)換填料的質量難以把握,采用天然材料,很難尋找料源,若采用人工篩分料,則不經濟。

鋪設苯板保溫,防止渠基土凍脹也是近年來漸漸采用的一種防凍脹處理形式。它只有保溫作用,不對基土進行換填。其具有以下優(yōu)點:

1)抗凍效果好,采用10 cm的苯板即達到了換填100 cm砂或砂礫石的保溫效果;

2)施工方便,渠道開挖斷面較小,不對基土進行擾動,直接將苯板置于基土上,在苯板上直接進行襯砌材料的施工;

3)在一定條件下造價低,使用的施工機械少,人工省。采用苯板,不進行基土換填,避免了大量土石方機械的使用,當基土換填材料運距大于一定距離時,其造價低的優(yōu)勢立即顯現(xiàn)。缺點是:在一定條件下,同換填相比,造價較高。當基土換填材料運距小于一定距離時,其造價明顯高于換填處理。

2003年農一師八團建成并投入使用的南干渠為梯形斷面弧形渠底,渠深1.8 m,邊坡為1∶1.75,兩邊渠堤寬度為2.5 m,渠道外邊坡也為1∶1.5。渠道襯砌采用70 mm厚的 C20現(xiàn)澆板,混凝土板下部為60 mm厚的苯板用于防凍脹。渠基土為粉細砂,顆粒細,保水性好,屬凍脹土。經苯板防凍脹處理后,經過5年的運行,未發(fā)生凍脹破壞。

4 結語

凍脹問題在我區(qū)普遍存在,對渠道防凍脹處理方式的選擇,關系到渠道的造價和施工的難易,必須慎之又慎。個人認為設計部門在今后設計工作中,應充分考慮當?shù)貙嶋H情況,做好基礎資料的調查,采用合理的設計方案,把混凝土渠道的凍脹破壞降至最低點,延長使用壽命。

[1] SL 23-2006,渠系工程抗凍脹設計規(guī)范[S].