宁夏灌区渠道和其水工建筑物冻害破坏原因和防治措施

'宁夏灌区渠道和其水工建筑物冻害破坏原因和防治措施【摘要】宁夏属季节性冻土区，在冻胀和冻融作用下,渠道运行中屡次出现混凝土板衬砌渠道和水工建筑物冻胀破坏现象，耗费大量的人力物力，影响渠道的行水安全。分析了渠道及其水工建筑物破坏的种类及原因，总结了冻胀破坏的特点。为了防止渠道及水工建筑物在冻融和冻胀作用下遭受破坏，通过不断总结实践经验，提出从勘察、设计、施工工艺和运行管理等方面入手，避免或减少渠道及其水工建筑物的冻害破坏。【关键词】渠道；冻害；机理；冻害类型；防治措施宁夏引黄灌区属半干旱与干旱气候的过渡地带，灌区气候雨少风多，蒸发强烈，年均气温8.9°C,最高气温超过36.71,最低气温-24°Co灌区地质多为壤土或沙壤土，土壤冻结期在120d以上，冻土深度50〜90cm左右，属季节性冻土区。因冻胀使衬砌渠道和水工建筑物均有不同程度地破坏，特别是地下水位较高的地区，冻胀破坏尤为严重，致使工程效益不能充分发挥，影响渠道的行水安全。为了防治混凝土衬砌渠道和水工建筑物破坏，通过总结冻胀破坏的特点、分析冻胀破坏因素，进一步优化规划设计，提高施工质量水平，完善渠道运行管理，探索出适合我区引黄灌区衬砌渠道及其水工建筑物冻胀破坏的防治措施。 1.冻害破坏机理渠道及其水工建筑物的冻害包括地基土冻胀和混凝土冻胀。1.1地基土冻胀在低温作用下，在混凝土衬砌板下部，基土（土壤）中水分冻结后，土体体积增大，产生冻结力。然而，在土体冻结的过程中，土层通过其中的水分冻结成冰产生的胶结力，将土颗粒与其上部的混凝土衬砌板紧密地胶结存一起，这种胶结力称为土与混凝土衬砌板之间的冻结强度，这使得混凝土衬砌板与紧接其下部的冻土层表面紧紧黏接，因此混凝土板衬砌阻止冻土层体积的膨胀变形，冻土层冻胀产生的土应力增加到混凝土板极限强度时，混凝土衬砌便首先发生裂缝，即勾缝发生裂缝，随后，冻土层的变形继续增加，相继发生隆起、断裂、位移、滑塌的破坏形式。1.2混凝土冻胀渠道及其建筑物上的水冻成冰后，由于冰体的膨胀作用对其部位形成破坏。渠道及其建筑物混凝土或钢筋混凝土在负温条件下，水泥的细小颗粒或钢筋失热的速度特别快，首先冷却，混凝土结构孔隙中一旦有水分充填，当气温下降到起始冻结点时，就以水颗粒或钢筋为冻结锋面吸附未结冰的水，形成混凝土冻结膨胀，使混凝土的结构变形破坏。同样 在较温和地区，混凝土随冻土循环次数、水分饱和等条件变化，存在着混凝土的冻融破坏。2•灌区渠道的冻害类型（1）不同防渗材料修建的渠道防渗层本身，除膜料防渗层外，均含有或多或少的自由水，这种水在负气温下结冰后，每lcm3体积增大0.09m3；尤其是防渗层一般具有一定的吸水性，加之渠道防渗工程经常处于有水的环境中，因此,防渗层又吸入了一定量的水分，而此部分水在负温下结冰后，每lcm3体积变为1.09cm3o因此，由于防渗层本身原有的水或吸（渗）入的水，在负气温下结冰后体积的膨胀使防渗层强度降低，结构破坏，产生裂缝，甚至溃散。（2）引水式泵站和调水工程的渠道，如引黄工程等，常需在负温下输水运行。此时渠水即会结冰。开始时只是冰屑和小冰块，随水流而动，它会像刀片一样，反复撞击和切割水面变化区渠坡的防渗层，使其受到不同程度的破坏。在寒冷的气温下，冰屑（块）先与渠坡冻结形成岸冰，再向渠中心延伸而形成冰层，水在冰层下运行。如上游水中的来冰量大于排冰量时，冰屑（块）将淤积于某一渠道断面处，使过水断面减少，如此继续，渠将被冰封堵，形成冰坝，即会造成水源漫溢，甚至溃渠的事故。同时，冰层的膨胀，又会因其冰推力而使渠坡防渗层位移和破坏。在来年消融后，当 渠中部冰层融断，仅留与渠坡冻结在一起的悬臂式冰层，且无水浮托时，此悬臂冰体因自重而会将防渗层拉起、错位而破坏。(3)当渠道防渗工程的基础土壤为冻胀性土，且其含水量大于起始冻胀含水量时，在冬季负温的作用下，由于渠道基土中水冻结后体积的增大，使基土发生隆起，称其为冻胀变形。当冻胀变形量超过防渗层的允许变形量时，或因冻胀而产生的冻胀力超过防渗层的抗裂或抗拉强度时，防渗层即会裂缝破坏。尤其严重的是在渠基土冻结期间，往往由于地下水位较高，或因周围有水源补给时，将会有大量的水向冻结锋面转移和结冰，由于迁移的水分产生的基土冻胀量远远大于基土含水量所产生的冻胀量，故其冻害也大于前者。同时，在次年融化后，刚性材料渠道防渗层其裂缝宽度可能有所缩小、隆起高度有所下降，但不可能恢复原状，将有残留变形存在即剩余冻胀量。如不及时维修和处理，并继续输水运行，则其冻害将逐年加剧，直至破坏，完全失去工程效益。上述3类渠道防渗工程的冻害虽然是并列的，但对工程的危害程度是不同的。就冬季不行水的渠道而言，第3类冻害是基本的和主要的；而对于冬季行水的渠道，因渠水有保温作用，故冻害以第2类为主；另外，对具体的工程来说，其冻害不是某一类冻害单一的表现，而往往是几种冻害类型同时作用的结果。3.冻害破坏的防治措施 为了缓解渠道的冻害问题，一条途径是改变传统结构，采用新的结构形式，提高结构强度；另一条途径是改变影响土冻胀的水、土、温三要素，即消除或减少冻胀因素的办法。单纯从结构措施去解决冻害是很不经济的，因此，应该两条途径并用，相互结合去解决冻害问题。为了防止渠道在冰、冻融和冻胀作用下遭受破坏，贯彻因地制宜、安全可靠、经济合理等基本原则，在不断总结实践经验，提出从勘察、设计、施工工艺、运行管理等方面探讨抗冰冻防治措施。3.1工程勘察方面除了常规的工程勘察之外，还应了解工程所在地地下水埋深和补给排泄条件；土壤种类、粒径、含水量、导热、系数等；最冷月平均气温、年平均气温、日平均最低气温等；冰情资料、冻土情况等抗冰冻基本资料，为渠道及其水工建筑物抗冰冻设计提供依据。3.2设计方面（1）换填非冻胀土地基。对渠基土进行换填是一种较经济防冻胀的处理形式，它既改变了渠基土的结构，又具有一定的保温作用。它的优点是：①当渠道附近有大量换填材料时，造价可能便宜；②由于对渠基进行了彻底换填，当质量达到要求时，可保证渠道减弱冻胀危害。根据建筑物等级、日照条件、蔗荫程度等条件计算设计深度、基础设计冻深、土的冻胀量确定后，设计时可考虑基础换土、回填土对基础 深度、冻胀力的减少因素。由于砂、卵石、砾石等毛细作用上升高度小，不利下面土层水份迁移，及其在冻结过程中具有水的反向压出特性，可将冻胀地基土(亚黏土等)挖除，换填非冻胀土(砂、卵石、碎石等)。(2)铺设苯板保温也是防止渠基土冻胀所采用的一种防冻胀处理形式。它只有保温作用，不对基土进行回填。具有以下优点：①抗冻效果好，采用10cm的苯板即达到了换填100cm砂或黏土的保温效果；②施工方便，渠道开挖断面小。不对基土进行扰动，直接将苯板置于基土上，在苯板上直接进行衬砌材料的施工；③在一定条件下造价便宜，使用的施工机械少，人工省。采用苯板，不进行基土换填，避免了大量土方机械的使用。当基土换填材料运距大于一定距离时，其造价低的优势立即显现。苯板防冻胀材料的缺点是：在一定条件下，同换填相比，造价较高。当基土换填材料运距小于一定距离时，其造价明显高于换填处理。(3)防治冻害的结构措施。由于大U形衬砌渠道承受水平冻胀力的能力弱，残留冻胀变形大，而小U形衬砌渠道整体性强，反拱底板抗冻胀力大于平底板渠道。为了防治冻害，流量大于2m3/s的渠道宜设计为梯形断面，流量小于2m3/s的渠道宜设计为U形断面，由于基土冻胀量随基土高度不均匀分布，渠道宜设计为宽浅式断面，避免设计窄深式断面渠道。近年来的渠道砌护表明，宁夏引黄灌区混凝土 衬砌渠道混凝土板强度为C15以上、板厚6〜10cm.板缝采用微膨胀C20细石混凝土就可达到防冻融要求，梯形断面边坡设计为1：1,U形断面直板与弧面夹角设计为23.50°较好。小断面U形斗农渠以2块板组成一个砌护断面为宜，支渠为多块混凝土板组成一个砌护断面为宜。(2)保温措施。水保温措施：水的热容量是所有物质中较大的，用水结冰时放出的潜热能有效地减少冻深。据经验，1.0m厚的冰层相当于2.0m厚的冰土。铺设保温材料：水工建筑物采用聚苯乙烯泡塑料板或水泥泡沫珍珠岩砂浆作基础保温材料时，冻胀性地基土级别小于II级时，可双向铺设，其厚度可取设计冻深的1/10〜1/15。(3)排水措施。土壤中含水量超过起始冻胀含水量时,应设法排除，并采取措施防止地表水或地下水渗入，如挡土墙在满足渗径要求的条件下，挡土墙应设置排水孔。渠道线路应尽量走高线，尽可能减少地下水的危害。并在渠旁植柳、杨树，起生物排水的作用。(4)隔离措施。水工建筑物基础外壁，在设计冻深范围内，用沥青憎水材料涂2cm厚隔水层，并使挡土墙背面平整光滑，浆砌石挡土墙背侧用水泥砂浆抹平，以消除地基土与基础外壁的冻结力，使地基土产生冻胀也不至于影响建筑物的稳定。3.3施工方面室外昼夜平均气温低于3。＜2时，混凝土施工时应釆用保 温措施或停止重要工程的施工；受冻严重而又有抗冲抗磨要求部位，钢筋浆保护层严格按规范标准施工；土方工程在雨季施工，要控制土料的含水量；采用非冻胀性材料置换冻胀性地基时，要控制小于0.05mm粒径含时按质量比必须小于总质量的6%,控制回填土料的相对密度等。3.4运行管理方面在宁夏引黄灌区对农田进行冬灌是必不可少的环节，一般冬灌越迟，农田的境情越好，丰产机会越大，但是冬灌越迟渠道基土含水量越高，渠道的冻胀越严重，混凝土衬砌板的冻害也就越严重。通过近年的探索发现，既要保证农田有足够的境情又能避免混凝土衬砌渠道的冻胀破坏，冬灌最适的时间为10月下旬至11月下旬。同时冬灌要尽量缩短渠道运行时间，减少地下渗漏，停水后要及时排除明水，保持渠道内无结冰。在来年开灌前对渠道进行全面检查，及时修理破坏部分，避免损坏面扩大，将损失降低到最小。4•结语以上所述的各种防止冻害的各种措施，在实际工程中具体应采用哪种防冻措滋，需要结合渠道及其建筑物的应用要求、水文地质条件及当地的实际情况来确定。目前，经济合理的渠道及水工建筑物结构防冻害破坏的技术仍在不断试验和研究中，作为水利工作者应不断总结抗冻融经验和掌握 水工建筑物冻害成因，结合具体工程不断探讨釆用先进技术和措施，为水利工程建设服务。参考文献：[1]曹玉东，颜雷，孙永强•混凝土水工建筑物冻融破坏与防治[J]•水利科技与经济，2009,15(9)：841.[2]中国灌溉排水发展中心.渠道防渗工程技术规范(SL18-2004)[S].北京:水利电力出版社，2004.[3]寇国伟，刘宝君.论水工建筑物的冻胀破坏和防治措施[J].西部探矿工程，2007(9)：201-202.[4]孙治平，王海燕.宁夏引黄灌区混凝土衬砌渠道冻害防治[J].农业科技与信息,2008(18)：41-42.[5]陆立国，周玲，王堂•宁夏渠道衬砌防冻胀试验研究[J].中国农村水利水电,2008(9)：102-107.[6]朱思远，陆立国，顾靖超•宁夏引黄灌区渠道砌护破坏原因分析与防治措施研究[J].节水灌溉，2011(4)：44-47.'