浅谈混凝土防渗渠道防冻胀的技术措施

黄付林

0 引言

八团是属新疆生产建设兵团农一师塔里木灌区,农一师灌区位于欧亚大陆腹地,天山南麓中段,塔里木河上游塔克拉玛干沙漠北缘。年降雨量40.1 mm～82.5 mm,年蒸发量 1 893.2 mm～2 558.9 mm,日照2 760.5 h～2 991.8 h,属极端干旱的纯灌溉型绿洲农业区,自然环境恶劣。一年中最冷月1月份的平均气温为-15℃～-10℃,平均冻深56 cm,最大冻深可达80 cm。由于气候寒冷,兴建的防渗渠道极易受到冻胀的破坏。因此进一步研究渠道冻胀破坏的机理,采取有效的措施预防它,对保证各级防渗渠道的正常运行,减少维修养护的费用意义重大。

1 渠道冻胀机理

渠道冻胀破坏是由于渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌而形成。渠基土受冻体积膨胀必须具备以下条件:

1)寒冷气候区持续的负温条件;

2)土壤中自由水和毛细水的存在,并且有通畅的水分补给通道;

3)土壤本身的物理力学性质,包括土的颗粒组成,矿物质成分等。

在以上三个条件中,土壤中自由水和毛细水的存在是冻胀发生的先决条件,也是必备条件,在整个冻胀破坏过程中,水是最活跃的因素。

从目前灌区受冻胀破坏的渠道来看,基本上位于灌区中下游。这是因为在灌区中下游地区,地下水埋深浅,土壤颗粒细,土体中自由水和毛细水的补给十分充足。一旦气温下降至0℃以下,土体中的自由水和毛细水的体积受冻膨胀,引起土体膨胀,顶托衬砌,破坏渠道。冻胀破坏不但发生在挖方渠道中,在半挖半填渠道中也普遍存在。由此可以看出,毛细水的冻胀性也不容忽视。

2 渠道防冻胀处理方法

1)改变渠道结构形式。

用“U”形或矩形断面来代替梯形断面。但这种处理形式只适用于流量小于1 m3/s的小渠道。对于大渠道来说,若采用这种处理方式,难免造成造价和施工难度的加大,且幅度还较大。上述导致土体冻胀的三个基本因素中,只有三个因素同时具备,才发生冻胀破坏。只要消除其中一个因素,就能防止和减轻冻胀危害。从目前当地的气候条件来看,外部温度不达负温是不可能的,因此只有采取保温措施达到内部不负温。切断冻土地基在冻结前后的水分补给是过去防冻胀处理常用的方法。

2)改变渠基土体的基本结构。

要切断冻土地基在冻结前后的水分补给,通常是采用高填或排水措施来减少水分的补给。但是由于土体颗粒及物理力学性质,毛细水的作用不可忽视。毛细水往往上升至地下水面以上2 m～3 m的平面上,同样会对渠产生冻胀破坏。

改变基土的基本结构的办法是:选用非冻胀性的砂砾土料,置换原冻胀性地基土。这种换填工程量较大,换填厚度一般要不小于冻土深度。在冻土深度小的地区使用尚可,若在冻土深度较大的地区使用,往往工程量是巨大的。

3)采用聚苯乙烯泡沫塑料板(以下简称苯板)保温。

近来随着新型建筑材料的问世,苯板越来越多地应用于渠道的防冻胀处理,其防冻胀的主要机理是它具有保温的功效,保证了渠基土不受负温的影响。

苯板的选择:a.要选择重质板,表观密度不得小于 20 kg/m3。b.板的厚度选择可按下式计算求得:

其中,δx为保温材料厚度,m;R0为工程保温基础设计热阻值,(m2◦℃)/W;αW为保温材料的导热系数修正系数;δc为基础材料厚度,m;λx为保温材料在自然状态下的导热系数,W/(m◦℃);λc为基础材料的导热系数,W/(m◦℃)。

3 渠道防冻胀处理形式比较

在高地下水位区,即使采取了断绝土壤中水分补给的措施,仍难以保证阻止毛细水的上升,因此还必须采取其他防冻胀处理形式。

对渠基土进行换填是一种防冻胀的处理形式,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,造价可能低;

2)由于对渠基进行了彻底换填,当质量达到要求时,可保证渠道永久不受冻胀危害。

同时也具有以下缺点:

1)由于换填厚度大,土方工程量较大,当换填材料运距较远时,造价较高;

2)施工难度大,清除了渠基原土,换填后的砂或砂砾石难以进行夯实,要达到施工规范要求,难度较大;

3)换填料的质量难以把握,采用天然材料,很难寻找料源,若采用人工筛分料,则不经济。

铺设苯板保温,防止渠基土冻胀也是近年来渐渐采用的一种防冻胀处理形式。它只有保温作用,不对基土进行换填。其具有以下优点:

1)抗冻效果好,采用10 cm的苯板即达到了换填100 cm砂或砂砾石的保温效果;

2)施工方便,渠道开挖断面较小,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)在一定条件下造价低,使用的施工机械少,人工省。采用苯板,不进行基土换填,避免了大量土石方机械的使用,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。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。

2003年农一师八团建成并投入使用的南干渠为梯形断面弧形渠底,渠深1.8 m,边坡为1∶1.75,两边渠堤宽度为2.5 m,渠道外边坡也为1∶1.5。渠道衬砌采用70 mm厚的 C20现浇板,混凝土板下部为60 mm厚的苯板用于防冻胀。渠基土为粉细砂,颗粒细,保水性好,属冻胀土。经苯板防冻胀处理后,经过5年的运行,未发生冻胀破坏。

4 结语

冻胀问题在我区普遍存在,对渠道防冻胀处理方式的选择,关系到渠道的造价和施工的难易,必须慎之又慎。个人认为设计部门在今后设计工作中,应充分考虑当地实际情况,做好基础资料的调查,采用合理的设计方案,把混凝土渠道的冻胀破坏降至最低点,延长使用寿命。

[1] SL 23-2006,渠系工程抗冻胀设计规范[S].