灌区混凝土防渗渠道冻害原因分析及防护措施探讨

白国库

(新疆巴州水利水电勘测设计院，新疆库尔勒 841000)

灌区混凝土防渗渠道冻害原因分析及防护措施探讨

白国库

(新疆巴州水利水电勘测设计院，新疆库尔勒 841000)

灌区混凝土防渗渠道建设对农业灌溉意义重大，而混凝土防渗渠道冻害防护工作则是保障混凝土防渗渠道正常运行的基础。本文针对花海灌区的混凝土防渗渠道冻害原因进行分析，同时提出了较为可行的防护措施。希望本文的研究，能够为灌区混凝土防渗渠道防冻害工作提供依据。

花海灌区;混凝土防渗渠道;冻害原因;防护措施

灌区配套设施及节水改造建设工程中一般采用混凝土预制块或混凝土板进行衬砌，防渗效果较好，此外，由于混凝土本身属于刚性材料，抗压能力较强，因此灌区混凝土防渗渠道应用较为普遍。但混凝土板抗拉强度较差，抗冻害能力较差，易由于不规则变形或者拉伸而产生不同程度的冻融、冻胀等现象，导致防渗渠道表面发生剥落、断裂、架空等情况，对防渗渠道的防渗效果造成较大影响［1］。现对花海灌区的防渗渠道防冻害经验进行回顾性分析，希望能够为灌区混凝土防渗渠道冻害防护工作提供参考。

1 工程简介

花海灌区是玉门市新市区东部花海盆地的一个大型灌区，面积超过3800km2，其北部与南部均为戈壁，东部为金塔县，西部为昌马灌区青山农场。花海灌区为典型大陆荒漠气候，位于海拔1200～1320m之间，年降水量较少，年平均气温较低，无霜期仅有150天，气候较为寒冷且持续时间较长，昼夜温差较大，冻土层最深达到1.5m，属于灌区混凝土防渗渠道冻害严重区域［2］。花海灌区整体地势为南高北低，坡势较缓，土壤为灰质灌漠土，表层有机物和腐植质含量较高，土壤肥沃。花海灌区混凝土防渗渠道95%以上均采用混凝土预制板衬砌，防渗、防冲效果良好，而且美观、耐用。灌区总干渠共3条，衬砌总长为80.017km;支干渠共3条，衬砌总长为26.794km;支渠共13条，衬砌总长为52.84km;斗渠共83条，衬砌总长为152.03km;农渠共953条，衬砌总长为85.72km。由于混凝土防渗渠道建设投资较大，对灌区防渗、节水工作和提高水资源利用率十分重要。因此，花海灌区对混凝土防渗渠道的防冻害工作十分重视，采取换填砂石、增加苯板保温层等技术措施进行保温，效果良好。

2 花海灌区混凝土防渗渠道冻害情况分析

由于气温较低，花海灌区防渗渠道多出现表面剥蚀、鼓胀、裂缝、隆起、架空、滑塌以及整体上抬等冻害现象，情况不容乐观。其中表面剥蚀多集中于防渗渠道底部、水位变化区及影响区，主要表现为混凝土板表面粗糙度增加、疏松以及冻酥;鼓胀和裂缝多集中于尺寸较大的现浇混凝土部位顺水流方向，裂缝有的出现在渠道底部，有的出现在渠坡1/4～3/4处;隆起、架空多集中于渠道坡脚、水面上部0.5～1.5m以及渠道底部［3］。由于渠基土与渠道顶部冻胀量不一致，引发混凝土衬板被顶起或架空;坡脚混凝土板受到外力作用失去稳定被推开，引发上部衬板失去依托而错位或滑落。冻胀、架空以及渠坡基土融化期滑坡都是引发渠道衬板滑坡的主要原因;由于渠道基土冻胀不均匀性较小、而渠槽整体性良好，致使花海灌区U形渠槽整体上抬。

3 花海灌区混凝土防渗渠道冻害原因分析

花海灌区混凝土防渗渠道冻害现象总体来看主要包括冻融破坏和冻胀破坏。下面就这两种冻害原因进行分析。

3.1 冻融破坏

冻融破坏是一种物理变化，简单说就是周围温度反复变化，由0℃以上降至0℃以下;再由0℃以下升至0℃以上而导致混凝土产生反复冻结和融化的现象。这样使得混凝土本身遭到破坏，尤其是表面破坏严重，如图1所示。

图1 冻融破坏结局

静水压的形成机理主要是混凝土毛细孔中的水分受冷环境影响而逐渐凝结成冰，体积发生膨胀而又受到毛细孔的限制，如果继续降温，一部分水凝结成冰，而另一部分成为过冷态与冰态水在毛细孔中共存。毛细孔中水分过冷就会产生较大的静水压力，随着温度的进一步降低，更多的水在混凝土内部微区结冰，静水压作用于毛细孔四壁，使混凝土中的水泥石整体处于受拉状态［4］。如此反复循环，水泥石因受到循环加荷产生疲劳或者超出极限抵抗力，使毛细孔结构受损。常见工程中静水压强分布如图2～图3所示。

图2 静水压强分布1

图3 静水压强分布2

气温降低，混凝土内部水冻结时由于混凝土材质并不均匀，毛细孔加压或传热也不均匀，部分区域的水结冰早，部分区域的水结冰晚，逐渐形成渗透压，推动结冰的水向结冰处移动并在该区域凝结成冰。渗透压的形成主要是由于冰水蒸汽压的形成，产生渗透压后毛细孔受到径向挤压，水泥石也处于受拉状态，反复循环亦会产生较大损害［5］。花海灌区防渗渠道混凝土衬板受到外界温度交替变化的影响，内部水泥石受到反复牵拉作用，不仅加速了混凝土的老化，而且当压力超过混凝土的抗拉压力时直接导致混凝土裂开。

3.2 冻胀破坏

冻胀破坏主要是防渗渠道基层土受冻后体积膨胀，对上层混凝土造成破坏，主要表现为鼓胀、裂缝、隆起、架空、滑塌及整体上抬。研究表明越靠近基土表层冻结点越高，一般0℃左右即可冻结，冻结后体积发生膨胀，由于建设时与混凝土衬板结合紧密，体积膨胀后直接顶起混凝土衬板，致使混凝土衬板表面产生鼓胀、隆起、架空等变形。冻胀破坏结局见图4～图6。

图4 冻胀破坏结局1

图5 冻胀破坏结局2

图6 冻胀破坏结局3

4 花海灌区混凝土防渗渠道冻害预防措施

根据花海灌区防渗渠道冻害分析结果，可针对冻融破坏和冻胀破坏分别采取措施进行防护。

4.1 规避冻胀环境

在设计灌区线路时，要尽量避免黏质、松软土质，淤泥沼泽、地下水位高地段，尽量选择土质透水性较强、地下水位较低、地形较高地段。在遇到不可避免情况时，应针对性设置混凝土浇筑方法及建设引水排水设施。

4.2 严格建筑材料与加入化学配料

原材料的选择首先要针对工程要求选用硅酸盐水泥与普通酸盐水泥这两种水泥，水泥的强度必须在42.5以上，水泥用量必须保证在300kg/m3，水灰比例控制在0.5以内。拌制混凝土所选用的集料必须进行筛选，不能将冰、冻块及其他易冻物质掺杂于其中;搅拌水来源不得含有影响水泥水化、凝固的水泥钢筋、混凝土腐蚀离子。在保证原材料的基础上必须注意水灰的配比，配比应不大于0.60。为了保证混凝土最终质量能够符合施工要求，水灰配比也应该保持不小于0.40。在混凝土早期搅拌过程中可以加入适量早强剂，但是早强剂剂量不能超过水泥总量的1%，避免过度化学药剂对钢筋造成腐蚀。还可以加入一定的引气剂与抗冻剂，从而阻断混凝土毛细孔。

4.3 渠道裂缝处理

对渠道已出现裂缝的情况一般采取开挖回填法与灌浆法两种方法进行处理，下面进行详尽阐述。

4.3.1 开挖回填法

开挖回填法主要针对裂缝不深或防渗部位裂缝，主要方法有以下两种，如图7(梯形楔入法)与8(梯形十字法)所示。

图7 纵缝处理

图8 横缝处理

裂缝开挖工序：裂缝周围开挖应超过裂缝两端1m，开挖深度应超过裂缝深度0.3～0.5m，开挖槽底部宽度至少0.5m;应根据渠道土料及裂缝性质针对性选用回填土料，坑槽周围土体含水量过高时应先清除部分水分再回填，偏干则将表面润湿再回填。

4.3.2 灌浆法

灌浆法主要针对裂缝较深、采用开挖回填法工程量较大的裂缝。常见灌浆方法为重力灌浆与压力灌浆方法。重力灌浆方法是将配置好的浆液充分灌入裂缝;压力灌浆法主要是在重力灌浆法后再加机械压力，促使浆液在强压下灌入裂缝。

5 结 语

通过采取针对性防护措施，花海灌区防渗渠道防冻害效果良好，防护经验可以广泛应用，但仍旧需要进行相关深入研究，进一步控制施工成本和提高抗冻效果。

1 纪连成，尹天波，王澍．混凝土防渗渠道冻害破坏原因及防治措施［J］．黑龙江水利科技，2006(04)：208.

2 闫钰，李丹颖．混凝土预制板防渗渠道冻害原因及防治措施［J］．内蒙古水利，2012(04)：107－108.

3 张广周．灌区混凝土防渗渠道冻害成因及预防措施［J］．内蒙古水利，2011(01)：145－146.

4 陈雯龙．新疆混凝土防渗渠道冻胀破坏成因分析及防冻胀措施［J］．水利技术监督，2011(03)：49－51，59.

5 宋广强．浅谈混凝土防渗渠道冻害破坏及防治措施［J］．内蒙古水利，2011(02)：172－173.

6 陈献伟．试论混凝土防渗渠道防冻胀的技术措施［J］．中国水运(下半月)，2013，13(03)：287－288.

Analysis of Concrete Anti-seepage Channel Freezing Cause in Irrigation Area and Discussion on Protective Measures

BAI Guo-ku
(Xinjiang Bazhou Water Resources and Hydropower Survey and Design Institute，Korla841000，China)

Concrete anti-seepage channel construction in irrigation area has great significance to agricultural irrigation．Concrete anti-seepage channel frost protection work is the foundation to guarantee normal operation of concrete anti-seepage channel．In this paper，the frost cause of concrete anti-seepage channel in Huahai irrigation area is analyzed，meanwhile，more feasible precautions are proposed．It is expected that the study in the paper can provide basis for concrete anti-seepage channel frost prevention work in the irrigation area．

Huahai irrigation area;concrete anti-seepage irrigation channels;frost reason;protection measures

TV91

A

1005-4774(2013)08-0066-03