【摘要】混凝土渠道因裸露面積大，長(zhǎng)時(shí)間與水接觸，容易受到凍脹破壞，在我國(guó)北方地區(qū)，由于水資源缺乏，混凝土渠道是提高水資源利用率、防止水分下滲流失的重要基礎(chǔ)設(shè)施，在冬季溫度極低的情況下混凝土渠道仍然擔(dān)負(fù)著輸水任務(wù)，因此凍害現(xiàn)象十分普遍，影響了工程效益的發(fā)揮。本文結(jié)合新疆塔里木河流域某大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目中的混凝土渠道的運(yùn)行情況對(duì)渠道混凝土凍害產(chǎn)生的原因作了分析，提出了渠道工程防止凍害的具體措施。
【關(guān)鍵詞】混凝土渠道;防滲工程;設(shè)計(jì)要點(diǎn);凍害防治
1概述
混凝土渠道具有防滲效果好、運(yùn)行安全等特點(diǎn)，在北方河流區(qū)域綜合治理和大型灌區(qū)配套與節(jié)水改造工程項(xiàng)目中起到了提高水資源利用率，改善自然環(huán)境，節(jié)約用水的作用。但是由于混凝土受風(fēng)化作用的影響比較大，在輸水過(guò)程中容易因溫度過(guò)低而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。
2混凝土渠道產(chǎn)生凍害的原因分析
混凝土凍害的產(chǎn)生一方面與溫度有關(guān)，另一方面與混凝土結(jié)構(gòu)本身成分有關(guān)。混凝土主要成分是砂石、水泥和水，這些材料根據(jù)一定的比例組合而成，由于這些建筑材料吸水性較強(qiáng)，而且韌性低、較脆，在輸水過(guò)程中長(zhǎng)期處于水中，水分會(huì)因混凝土結(jié)構(gòu)的吸水性而滲入結(jié)構(gòu)中，在冬季氣溫低于0℃時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)中的水分體積會(huì)膨脹，經(jīng)過(guò)多次凍脹和融化使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。從凍脹應(yīng)力角度來(lái)看，混凝土渠道的凍害形式主要有以下幾種。
2.1鼓脹和裂縫
在秋冬溫度較低的季節(jié)，當(dāng)氣溫下降至0℃以下時(shí)，由于渠道內(nèi)基土含有水分，混凝土與渠道基土?xí)蛩哪潭鴥龀梢粋�(gè)整體，混凝土結(jié)構(gòu)同時(shí)承受著凍結(jié)力、凍脹力和混凝土結(jié)構(gòu)本身因熱脹冷縮所產(chǎn)生的拉力，當(dāng)這些應(yīng)力超過(guò)了混凝土在低溫環(huán)境下承受力的上限時(shí)混凝土板塊就會(huì)出現(xiàn)裂縫。
2.2架空隆起
塔里木河流域的很多渠道工程因天山雨雪融化下滲，地下水豐富、地下水位較高，當(dāng)冬季低溫時(shí)混凝土板與渠道基土凍成一個(gè)整體，基土中豐富的水分在凝固時(shí)膨脹，對(duì)混凝土板產(chǎn)生一種隆起、架空的力量，這種現(xiàn)象一般出現(xiàn)在坡腳或者渠底中部等地段，當(dāng)隆起架空力量超過(guò)混凝土板承受能力時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生破壞。
2.3滑塌
滑塌的出現(xiàn)有兩個(gè)方面的原因:由凍脹引起混凝土板架空隆起時(shí)會(huì)破壞坡腳基土的支撐能力，混凝土板的墊層會(huì)失去穩(wěn)定性，當(dāng)基土內(nèi)的水分開(kāi)始融化時(shí)體積縮小，基土與混凝土板塊之間出現(xiàn)空隙，混凝土板塊會(huì)因?yàn)橄虏考芸斩刂障断禄e(cuò)位。渠坡基土在溫度升高時(shí)，由于結(jié)冰融化失去支撐作用而導(dǎo)致渠坡基土出現(xiàn)大面積滑坡，致使坡腳的混凝土被推開(kāi)而滑塌。
3混凝土渠道防滲工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)
3.1合理選擇渠道混凝土的結(jié)構(gòu)型式
合理選擇結(jié)構(gòu)型式是做好混凝土防滲渠道設(shè)計(jì)的第一步，也是基礎(chǔ)性工作。防滲渠道的設(shè)計(jì)要根據(jù)灌區(qū)面積、作物布局、地下水位以及渠道地形和土壤條件等因素，確定渠道的斷面尺寸。渠道的斷面型式對(duì)渠道的強(qiáng)度、渠道的整體性和使用年限有直接影響。目前，我國(guó)大部分混凝土防滲渠道都采用U形斷面，該渠道混凝土板由專(zhuān)門(mén)的U形板成型機(jī)預(yù)制。該結(jié)構(gòu)型式具有整體性好、強(qiáng)度高、各部位受力均勻、裂縫產(chǎn)生的可能性低、施工勾縫少、斷面尺寸小、占地少等特點(diǎn)，施工方便，防凍脹效果好。U形防滲渠道一般采用單層護(hù)面襯砌，在混凝土板之間設(shè)置橫向連接縫，可增強(qiáng)混凝土渠道強(qiáng)度和整體性，提高防凍能力。在防滲渠的頂部設(shè)置15～30cm的土壤頂板，能夠有效防止雨水滲入渠基帶走泥沙而破壞渠底。
3.2防滲防凍害設(shè)計(jì)
混凝土渠道的凍害程度及破壞力與渠道基土凍結(jié)時(shí)水分的遷移情況和凍脹力大小有關(guān)，這些作用又取決于當(dāng)?shù)赝临|(zhì)、土壤的含水量、溫度和工程結(jié)構(gòu)，因此，對(duì)這些可能導(dǎo)致混凝土渠道凍害的因素采取措施能有效防止混凝土凍脹破壞。防止混凝土渠道發(fā)生凍害主要從兩個(gè)方面采取措施:避免凍脹出現(xiàn);削減凍脹。
3.3避免凍脹
在混凝土渠道線路的防滲規(guī)劃設(shè)計(jì)中為避免凍脹出現(xiàn)，要盡量避開(kāi)凍脹出現(xiàn)可能性較大的地區(qū)和凍脹性土區(qū)，盡量避免凍脹對(duì)混凝土渠道的作用。具體來(lái)講，盡量避開(kāi)結(jié)構(gòu)松散的土層、淤泥沼澤以及地下水位過(guò)高的地段，要選擇不易產(chǎn)生凍脹的透水性強(qiáng)或者地下水位較低的地段;盡量采用填方渠道;盡量選擇地形較高的脊梁地帶規(guī)劃渠道線路;加強(qiáng)對(duì)有滲水和地面回水地段排水設(shè)施的建設(shè);在渠道兩側(cè)設(shè)置林帶，種植一些根系發(fā)達(dá)的樹(shù)木，如柳樹(shù)，通過(guò)根系改善渠道基土環(huán)境，防止凍害發(fā)生。
3.4削減凍脹
對(duì)于一些凍脹無(wú)法避免又不能改變線路的渠道應(yīng)盡量采取削減凍脹的措施，降低渠道混凝土結(jié)構(gòu)的凍害概率，將渠道基土的最大凍脹力通過(guò)人工手段削減至混凝土板塊所能承受的范圍內(nèi)。具體做法如下:換填法，即在冬季土壤凍結(jié)能夠影響到的深度內(nèi)將混凝土板塊下的凍脹性土壤換成非凍脹性材料的方法;隔熱保溫法，即在混凝土板塊的背后布設(shè)一層保溫材料，通過(guò)材料的隔熱作用降低冬季低溫對(duì)基土的作用，并且相應(yīng)地減少換填層的深度，從而阻擋換填層下層土壤水分的補(bǔ)給，減輕渠道基土的凍深和凍脹力;沖擊壓實(shí)法，該方法在填土路基中應(yīng)用較為廣泛，在渠道基土工程中通過(guò)對(duì)基土進(jìn)行沖擊壓實(shí)增加基土的干密度，降低基土的孔隙率和透水性，在冬季低溫時(shí)能夠阻擋水分的遷移和聚集，達(dá)到削減甚至消除凍脹的效果。
3.5設(shè)計(jì)要點(diǎn)
防滲渠道的斷面型式除了U形外，常見(jiàn)的還有矩形、梯形(包括弧形底梯形、弧形坡腳梯形)和復(fù)合型等，這些斷面型式由于適應(yīng)凍脹變形能力比較強(qiáng)，能在一定程度上減輕凍脹帶來(lái)的損害。根據(jù)甘肅省靖會(huì)電灌總干渠試驗(yàn)段的觀測(cè)，弧形底部受到不均勻凍脹導(dǎo)致的折角變形平均為0.18°，梯形平底折角變形平均為4.5'，弧形斷面能夠很大程度地減輕凍脹開(kāi)裂和邊坡結(jié)冰消融時(shí)導(dǎo)致的滑塌破壞。防滲渠道的斷面尺寸根據(jù)水力計(jì)算確定，梯形和矩形斷面一般選擇經(jīng)濟(jì)斷面，地下水位較高的地方可以選擇寬淺式斷面，確定斷面尺寸后要對(duì)渠道的平均流速進(jìn)行校核，使平均流速滿(mǎn)足不沖不淤的要求。渠道防滲設(shè)計(jì)在考慮防滲要求的同時(shí)還要注意地基的穩(wěn)定性問(wèn)題，要綜合考慮防滲、防凍脹、防基土變形及防土壤鹽堿化，在采用新技術(shù)時(shí)要結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，使工程設(shè)計(jì)在滿(mǎn)足技術(shù)先進(jìn)的基礎(chǔ)上做到切合實(shí)際、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便、運(yùn)行安全及經(jīng)久耐用。
4混凝土渠道防凍害的管理與維護(hù)措施
4.1做好用水管理
混凝土渠道在灌溉時(shí)要根據(jù)渠道的水源、供水量、農(nóng)作物需水量、渠道運(yùn)行狀況等合理編制調(diào)配水計(jì)劃，防止盲目用水造成水資源浪費(fèi)，避免過(guò)度用水導(dǎo)致水位超過(guò)混凝土板塊而進(jìn)入邊坡滲入地下，使渠道基土被水沖刷導(dǎo)致混凝土板塊架空造成冬季凍脹損害。
4.2加強(qiáng)混凝土渠道的維護(hù)管理
混凝土渠道安全運(yùn)行離不開(kāi)日常的維護(hù)管理，因此，要加強(qiáng)對(duì)混凝土渠道運(yùn)行狀況的觀測(cè)，以便第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)隱患并及時(shí)排除。在輸水過(guò)程中要對(duì)水流情況進(jìn)行觀測(cè)，在停止輸水期間要對(duì)區(qū)內(nèi)進(jìn)行檢查。如發(fā)現(xiàn)有障礙物阻擋水流，渠道混凝土結(jié)構(gòu)有裂縫和漏水，混凝土結(jié)構(gòu)表面有剝離、磨損、汽蝕現(xiàn)象，板塊與板塊之間的接頭脫落，伸縮縫內(nèi)的填充物流失，要在第一時(shí)間進(jìn)行處理和修復(fù)，防止問(wèn)題隨著輸水時(shí)間增加而越來(lái)越嚴(yán)重。
4.3加強(qiáng)冬季管理
冬季是渠道混凝土凍害發(fā)生的主要時(shí)段，混凝土結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生凍脹破壞就會(huì)縮短渠道的使用壽命，因此必須要加強(qiáng)冬季渠道的管理，具體如下:冬季渠道輸水灌溉必須要在日平均氣溫高于0℃時(shí)進(jìn)行，防止渠道內(nèi)水分結(jié)冰導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹破壞;冬季降雪融化后要及時(shí)將積水排出渠道，防止雪后結(jié)冰破壞混凝土體;要做好日常檢查工作，冬季氣溫低，風(fēng)化程度加大，即使晴天也會(huì)對(duì)渠道混凝土造成影響，在冬季，晝夜溫差大，混凝土結(jié)構(gòu)吸熱效果好，容易導(dǎo)致混凝土表面溫度過(guò)高而底部溫度過(guò)低，形成較大溫差，使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞，因此，要加強(qiáng)日常檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，防止渠道內(nèi)的水分深入渠基土反復(fù)凍融破壞防滲體;渠道周邊的農(nóng)田要在氣溫下降到0℃以下前半個(gè)月結(jié)束灌水，防止渠道基土因含水量過(guò)高引起混凝土體凍脹破壞。
5結(jié)語(yǔ)
混凝土渠道在我國(guó)北方十分常見(jiàn)，而冬季氣溫低，凍害成為影響混凝土渠道使用的最主要因素，因此，在渠道設(shè)計(jì)過(guò)程中要盡量避免冬季凍害對(duì)渠道混凝土造成的損害，在日常使用過(guò)程中要加強(qiáng)渠道的檢查，做好日常維護(hù)管理，使渠道能夠最大程度地發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益。
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