永昌縣金川灌區混凝土渠道凍脹原因淺析對策

白會玲

甘肅省金昌市永昌縣金川水利管理處 甘肅 金昌737202

考慮到出現凍脹破壞會對混凝土渠道帶來極大的影響,使得混凝土的渠道使用壽命縮短,破壞對應的使用性能,會直接影響渠系水的利用率,影響工程投資效益,從而阻礙相應的發展。因此,基于這一情況來分析,做好本灌區混凝土渠道的凍脹破壞防治具有重要的現實意義。

一、渠道混凝土凍脹破壞原因分析

(一)凍融破壞。在永昌縣地區,考慮到混凝土板本身屬于薄板結構,厚度一般控制在6-15c m,主要包含了水泥、砂石、水、外加劑等共同的膠結結構。當混凝土出現水化反應,內部結構就會有細小縫隙的存在。同樣,因為砂石等材料具有吸水能力,加上長時間的水環境使用,當遇到冬季氣溫在0度以下的時候,混凝土渠道板塊內部空隙就會發生結冰的情況,水結冰之后體積會增大0.09倍,就會引發膨脹現象。當水變成冰出現體積膨脹時,受到超出混凝土極限作用力的影響,會導致混凝土出現裂縫。在凍結、融化過程的反復循環之中,混凝土就會有裂縫問題,而這就是造成混凝土渠道凍融破壞的主要因素[1]。

(二)渠基土凍融破壞。第一,混凝土板出現鼓脹、裂縫。渠道滲透水是西北地區發生凍脹的主要因素,滲水使土基增加實際含水量甚至達到飽和狀態,在寒冷天氣的凍結作用下,混凝土板同渠床基土就會凍結成為一個整體,這樣會受到較多作用力,如凍結作用、收縮作用、凍脹作用等,使其變形受到約束引起的拉應力超過其抗拉強度,會導致混凝土板出現鼓脹、裂縫的現象,在連續凍融循環作用下裂縫也會逐漸增大。第二,邊坡板滑塌。這一類問題的出現主要是因為:首先,混凝土板因為滲透水壓力凍脹效果,導致隆起、架空等情況的發生,這樣直接損壞坡腳的支撐,失去平衡,混凝土板結構的上部板塊就會有錯位滑移與相互穿插等問題,進而引發邊坡板的滑塌。其次,當渠道基土在融化的時候體積會收縮下陷,渠坡失去基土支撐,最終推開與坡腳的混凝土拉應力,導致混凝土板結構上部板塊發生滑塌的現象,進而造成邊坡板整體向渠道底部中心滑塌。第三,架空隆起,在渠道輸水過程中,由于滲透水作用,使渠道地基土被滲透水沖擊挾帶,造成渠基與邊坡腳架空;或者在渠道縱坡較緩且滲流量較大,地渠段,由于地下積水和基土本身的距離相對較小,會出現大體積的凍脹量。就會引發混凝土襯砌底板架空與隆起的問題。一般來說,坡腳和邊坡膠結面位置就容易發生這一問題,在渠道底部的中間也可能會出現這一系列的問題。渠頂基土相對于地下滲流積水間距較大的情況下,出現的凍脹量也會相應減小。

(三)渠道內水結冰破壞。對于金川灌區而言,渠道輸水每年從4月份開始到11月底才能結束,11月份當地氣溫已經降到零度以下,冬季混凝土渠道一般輸水流量較小且氣溫低的情況下,渠道運行基本是輸冰狀態,加之流量過小、流速降低水容易結冰,水中的浮冰就會在彎道或者縱坡較小地段處不斷堆積,從渠道邊緣開始累積浮冰,逐漸朝著中心位置擴展。浮冰從上游不斷朝著下游運送,在彎道處或者縱坡較小軟弱夾層土基地段就會出現嚴重的浮冰積累,這樣就會出現渠道兩邊混凝土板的壓力與推力,導致整體的襯砌結構出現斷裂,最終破壞或者坍塌的現象。

二、混凝土渠道防凍脹的有效措施

基于上述對于西北地區混凝土渠道出現凍脹破壞基本原因的綜合分析,提出下述防治措施,希望可以解決凍脹破壞問題。

(一)合理的襯砌結構。為了降低凍害帶來的破壞,需要選擇合理的渠道斷面和對應的襯砌結構。目前,針對襯砌結構型式,主要包含了復合結構,由防滲膜料、混凝土護板、加設伸縮縫等組成。對本灌等寒冷區域需要設置保溫層,一般會使用到復合土工膜、聚乙烯塑料薄膜等材料。針對混凝土襯砌結構和斷面型式,要基于工程的實際規模,一般對于干渠和支渠可以考慮到梯形斷面或者是梯形斷面弧形渠底添加防滲薄膜的襯砌結構,弧形梯形斷面結構形式具有防凍脹性能好的優點,解決渠道防凍脹問題具有明顯優勢。渠道邊坡比例一般選擇1:1.25較緩的坡面;其下鋪設0.2 mm厚的塑料防滲膜,防滲膜上設2c m 厚的M10砂漿保護層;每3 m 設置一道伸縮縫,伸縮縫寬2c m,采用聚氯乙烯膠泥和水泥瀝青砂漿填縫;針對斷面相對較小的斗、農渠可以選擇梯形斷面弧形渠底或者U 型斷面添加防滲薄膜襯砌的方式。

(二)基礎換填處理。基礎換填處理主要是基于砂礫石等非凍脹性的土來實現對于原本的壤土、粉質黏土等替換,幫助渠道基土體改善排水性,也可以實現水分場的有效改善。選擇級配良好的砂石料通過換填處理,這樣的渠道基土體的實際含水量就要比起始凍結含水量低。當遇到地下水位偏高的情況,與排水、截水措施相互結合可以將對應的凍害問題減少。針對渠基土體的凍深而言,隨著換填厚度的不斷增加也會對應增大,而凍脹量就會隨之減小。針對南北走向的渠道,渠底換填背砂40c m,就能減少超過1/2的凍脹量,直接換填60c m 厚的保護層,減少3/4的凍脹量[3]。

(三)施工技術要求及防治。第一,土層置換碾壓層厚度控制在30～50c m,土料含水率30%。第二,坡面土工模接縫處理是施工關鍵,在施工中要做好準備、鋪設、拼接、檢驗、回填五道質量關,拼接時兩幅膜邊搭接大于10c m,且平整、無折皺,相鄰兩幅膜接頭不應在一條水平線上,應相互錯開1 m 以上,在澆筑混凝土時注意不被拌合物擊穿。第三,伸縮縫施工中嚴格控制膠凝溫度,厚度,瀝青砂漿填充物的密實度,確保伸縮縫止水,伸縮。第四,混凝土澆筑過程中,嚴格按照配合比,拌和要均勻,且振搗密實,防止表面出現石子聚集,內部出現架空、氣孔現象。在凝結硬化過程中應采取適當措施,使混凝土免受外界干擾,促進硬化防止開裂,提高其強度、整體性和抗滲性。

三、結束語

針對金川灌區混凝土渠道常見的凍脹破壞問題,作為一線工作人員需要基于土質屬性和氣候條件,實現對于渠道凍脹主要原因的分析,據此提出科學、合理、有效的解決措施,從而滿足防治渠道凍脹的基本要求,同時基于日常的維護與養護確保混凝土渠道的正常安全運行。