渠道防凍抗?jié)B施工

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摘要：渠道的防滲抗凍問(wèn)題一直是北方水利工程的一大難題，如何解決渠道凍害直接關(guān)乎到我國(guó)北方水利工程的建設(shè)和發(fā)展。本文分析了防滲渠道凍脹的破壞形式及其原因，以及在抗凍措施選擇中注意的問(wèn)題，并提出了防滲渠道的抗凍施工對(duì)策。

關(guān)鍵詞：防滲抗凍；設(shè)計(jì)措施；技術(shù)措施

在我國(guó)寒冷的北方地區(qū)，渠道防滲工程易受到凍害破壞，一旦開(kāi)始了凍脹，一般的襯砌結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)反復(fù)的凍結(jié)溶化就會(huì)斷裂，導(dǎo)致防滲失效。因此在寒冷的北方地區(qū)渠道防滲抗凍措施是否得當(dāng)至關(guān)重要。

一、防滲渠道產(chǎn)生凍脹破壞后表現(xiàn)形式及原因

每年春季冰雪融化后，在春季灌溉前，沿著防滲渠道檢查，常會(huì)發(fā)現(xiàn)個(gè)別渠段邊坡砼板、底板、封頂板翹起、板塊錯(cuò)位、裂縫、建筑物與渠道連接砼隔墻沉陷、結(jié)構(gòu)縫縫寬增大、填充物脫落，連接段扭面變形，嚴(yán)重的可造成邊坡砼板大片滑塌等。

（1）渠道在地基上的凍脹作用下破壞

地基土中的水凍結(jié)成冰時(shí)，產(chǎn)生膠結(jié)力，使凍土與基礎(chǔ)牢固地膠結(jié)在一起。由于渠道基礎(chǔ)與凍土膠結(jié)在一起，它對(duì)土的凍脹具有約束作用，凍土就會(huì)對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生凍脹力。在不均勻凍脹力的作用下，當(dāng)渠道底板產(chǎn)生不均勻變形或者喪失穩(wěn)定性時(shí)，渠道則產(chǎn)生凍脹破壞。這是季節(jié)性凍土區(qū)渠道凍害產(chǎn)生的主要原因。

（2）渠道在地基土的融沉作用下破壞

凍土中的冰融化以后體積縮小，使土在自重作用下產(chǎn)生一定量的下沉。冰變成水后，在水自重和外荷載作用下沿孔隙排除從而使土進(jìn)一步壓縮下沉。當(dāng)渠道邊坡在地基土融化時(shí)，渠道邊坡各部分因地基土的土質(zhì)和含水量不同而產(chǎn)生不均勻沉降。當(dāng)沉降量超過(guò)允許變形量時(shí)，邊坡則會(huì)產(chǎn)生滑塌破壞。季節(jié)性凍土區(qū)渠道單純由融沉作用破壞的不多見(jiàn)。但由于融沉作用加重了渠道的破壞是較多的。

（3）在冰荷載的作用下渠道破壞

在季節(jié)性凍土地區(qū)，灌溉渠道在冬季封凍，解凍期間，渠道邊坡因受靜冰壓力或動(dòng)冰壓力作用而造成破壞。

二、渠道抗凍機(jī)理

影響渠道凍脹變形的基本因素有三個(gè)：一是持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)溫；二是渠床基土屬凍漲性土壤，即土體顆粒分散性較大，凍結(jié)期內(nèi)土壤水分遷移較為明顯，凍漲性較強(qiáng)的土壤；三是埋深較淺的地下水或補(bǔ)給充足的土壤水及毛管水。襯砌渠道凍漲的最根本的特點(diǎn)是渠道凍脹分布的不均勻。

三、渠道凍脹設(shè)計(jì)措施

在寒冷的北方地區(qū)，為了保障渠道建成后，安全有效的運(yùn)行，在渠道防滲工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要著力解決好滲漏、凍脹、揚(yáng)壓力、沖刷、磨損、淤積等問(wèn)題。而其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是抗凍脹設(shè)計(jì)和施工，防止渠道和建筑物在冰、凍融和凍脹作用下遭受破壞，影響渠道的運(yùn)行安全。

（1）做好抗凍脹厚度的測(cè)算，依據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL23-2006），根據(jù)確定的多年最大凍深值，計(jì)算不同地下水位埋深時(shí)的設(shè)計(jì)凍深值。同時(shí)，要根據(jù)渠道的走向，分別計(jì)算渠道陰陽(yáng)坡和渠道底板的設(shè)計(jì)凍深，為渠道在不同部位的防凍墊層換填厚度設(shè)計(jì)時(shí)提供可靠的依據(jù)。

（2）做好抗凍脹材料質(zhì)量評(píng)價(jià)和材料的選擇。抗凍脹材料盡量選擇當(dāng)?shù)氐纳暗[石和風(fēng)積沙材料作為渠道的抗凍換填材料，且在挖方渠道或半填半挖渠道，為避免渠道兩側(cè)農(nóng)田灌溉對(duì)渠道邊坡產(chǎn)生側(cè)滲，使渠道邊坡板整體遭受頂托破壞，必須采用砂礫石和風(fēng)積沙作抗凍材料，以確保渠道運(yùn)行安全；對(duì)填方渠道根據(jù)投資比較，可優(yōu)選苯板、砂礫石或風(fēng)積沙。

（3）渠道設(shè)計(jì)時(shí)需注意地下水位施測(cè)時(shí)間是否在高水位期，設(shè)計(jì)時(shí)需要求地質(zhì)專業(yè)提供地下水的動(dòng)態(tài)變化，除渠道本身地下水，還要考慮臨近灌區(qū)地下水的補(bǔ)給影響，采取渠道防滲的渠道，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意地下水位應(yīng)控制在渠道底板以下1.0m，否則，渠道底板應(yīng)采取透水性設(shè)計(jì)或在渠道兩側(cè)挖排水渠道降低地水水位，以確保渠道運(yùn)行安全。

（4）在緊靠灌區(qū)、水庫(kù)、湖泊的非凍脹性土的地段，一定要設(shè)防凍體，因?yàn)榇饲蔚亩镜叵滤兓容^大，會(huì)導(dǎo)致防滲體凍脹破壞。

（5）用當(dāng)?shù)夭牧巷L(fēng)積砂做防凍體的梯形渠道，為防止由于運(yùn)行中水流帶出砼預(yù)制板的細(xì)顆粒，導(dǎo)致渠道運(yùn)行不安全，一般要在砼預(yù)制板下加一道塑膜。

四、防滲抗凍的技術(shù)措施

根據(jù)凍害形成原因分析，防滲工程是否產(chǎn)生凍脹破壞、其破壞程度大小，取決于土凍結(jié)時(shí)水分遷移和凍脹作用，而這些作用又和灌區(qū)改造渠系段的土質(zhì)、土的含水量、負(fù)溫度及工程結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。因而，防治襯砌工程的凍害，要針對(duì)產(chǎn)生凍脹的因素，根據(jù)工程實(shí)地情況從渠系規(guī)劃設(shè)計(jì)、渠基處理、基礎(chǔ)排水、保溫，以及襯砌的結(jié)構(gòu)形式、材料、施工質(zhì)量、管理維修等方面著手，全盤(pán)考慮。

（一）進(jìn)行合理的渠道選線與渠系布置

在渠道選線時(shí)，要意識(shí)到這對(duì)于防治凍脹的關(guān)系極大，如果條件允許的話，要盡量讓渠線經(jīng)過(guò)之處主要是粗粒土。在地下水位比較深的地方，在地基透水性不好而地下水位又比較高的地方，就要盡可能地建成填方渠道，從而抬高渠底。在灌區(qū)之內(nèi)的渠系布置上，要注意到防止田間灌溉滲漏水，從而導(dǎo)致凍脹。要在地塊和下一條渠道中間設(shè)計(jì)出一條林帶與道路，從而延長(zhǎng)滲漏的途徑，還應(yīng)在管理上同步采取措施，以杜絕穿過(guò)耕地的渠道運(yùn)用深挖方斷面，這是由于此時(shí)的凍脹情況最為嚴(yán)重。

（二）采取結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)計(jì)措施

運(yùn)用結(jié)構(gòu)抗凍設(shè)計(jì)，一般是采用U形或者弧形底梯形斷面渠道的形式，從而抗擊凍脹。U形渠道變形要將整體上抬作為主要形式，凍脹變形情況較為均勻。弧形渠底則具有相當(dāng)?shù)目箖雒涀饔茫谑軆雒浻绊憰r(shí)因?yàn)樽冃伪容^均勻，因而十分適宜于寒冷地區(qū)的渠道設(shè)計(jì)。因?yàn)閁形渠道主要采用預(yù)制混凝土板進(jìn)行拼結(jié)，但是在實(shí)際施工過(guò)程中，由于預(yù)制的尺寸是有限的，而且大型U形混凝土板在進(jìn)行拼接過(guò)程中，還存在有相當(dāng)?shù)睦щy，所以U形渠道一般用于流量比較小的支渠以及支渠以下的渠道，但弧形底梯形斷面渠道由于不受上面這些因素的影響，在干渠和支渠中經(jīng)常會(huì)被采用。

（三）渠道襯砌結(jié)構(gòu)形式

渠道襯砌結(jié)構(gòu)形式選擇，要按照從降低基礎(chǔ)含水率，增加砌體剛度、抵抗凍脹角度三個(gè)方面考慮。通過(guò)多年實(shí)踐和探索，交口灌區(qū)主要采用以下幾種襯砌方式：1）全斷面板膜復(fù)合結(jié)構(gòu)。在土模上全斷面鋪設(shè)復(fù)聚乙烯復(fù)合土工膜，在土工膜和襯砌板之間鋪設(shè)20mm厚M5.0水泥砂漿過(guò)渡層。這種形式適用于地下水位低的填方渠段。2）預(yù)制鋼筋砼板。適用于灌區(qū)地下水位相對(duì)較高的渠段，以及較大的弧腳梯形斷面。3）U形現(xiàn)澆式適用于小流量地質(zhì)條件要求不高，地下水位較高渠段。

（四）運(yùn)用隔熱保溫材料

可以將隔熱保溫材料設(shè)置在襯砌體的下部，從而消減凍深與凍脹，并相應(yīng)地減小置換的深度，以割斷下層土所產(chǎn)生的水分補(bǔ)給，這也是一種簡(jiǎn)便有效的抗凍脹辦法。聚苯乙烯泡沫板則是一種較為適宜的保溫材料。聚苯乙烯泡沫作為一種新出現(xiàn)的保溫材料，有較輕的自重、較高的強(qiáng)度、較低的吸水性、較好的隔熱保溫性能，而且價(jià)格又低，施工較為方便，因而已在國(guó)內(nèi)、外進(jìn)行了廣泛應(yīng)用。在具體的渠道設(shè)計(jì)之中，可以依據(jù)1cm苯板厚度相當(dāng)于8至10cm 砂礫石墊層的厚度來(lái)計(jì)算出需要置換的深度，再經(jīng)過(guò)熱工計(jì)算，換算成苯板的厚度。

四、結(jié)束語(yǔ)

在我國(guó)寒冷的北方做好渠道的防滲抗凍措施日益重要，因此，我們?cè)谶M(jìn)行渠道的設(shè)計(jì)、施工時(shí)，對(duì)渠道工程防凍脹處理方式的選擇，既要防凍脹破壞，又要防滲，也關(guān)系到渠道的造價(jià)和施工的難易，必須合理優(yōu)化，提高渠系水利用系數(shù)。要綜合考慮設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性和規(guī)范性，同時(shí)在渠道防滲襯砌工程中，采用新技術(shù)、新工藝、新材料、開(kāi)發(fā)新設(shè)備，在渠道的防滲抗凍重起到了良好的互補(bǔ)作用。

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