昭蘇縣混凝土防滲渠道凍脹破壞成因分析及防凍脹措施

艾克拉木·艾爾肯

（新疆伊犁州昭蘇縣水利局 新疆 昭蘇 835600）

昭蘇縣位于新疆西北邊陲，為中亞內(nèi)陸腹地的一個(gè)高位山間盆地。截至到2013年，全縣灌區(qū)有效灌溉面積為47.49萬畝，其中高效節(jié)水面積為8.44萬畝（其中噴灌2萬畝，滴管6.44萬畝），39.05萬畝常規(guī)灌溉。已建干渠及總干渠24條，總長212.58km（其中漿砌石及混凝土防滲襯砌120.53km，干砌石 25.2km，土渠 95.33km）；支渠135條總長342.32km（其中襯砌154.71km，10%為干砌石和漿砌石，90%為混凝土防滲）；斗渠285條總長365.83km（其中混凝土防滲104.54km，土渠162.29km）?；炷练罎B渠道能夠減小或防止渠道水的滲流損失和水土流失[1]，馬越軍[2]等針對麥蓋提基地農(nóng)場混凝土防滲干渠凍脹原因及防止措施進(jìn)行了總結(jié)，吳英、佘光榮、郭允霞也對新疆其他地區(qū)在混凝土防滲渠道的凍脹破壞保護(hù)方面做出了一些探索[3-5]。昭蘇縣冬季溫度低，最低氣溫在-32℃，凍脹對渠道混凝土防滲襯板破壞相對較為普遍,需要對其進(jìn)行逐項(xiàng)分析。通過對防滲渠道的現(xiàn)場調(diào)查與取樣發(fā)現(xiàn)，大部分渠槽的土體變形狀態(tài)對襯砌板有較大影響，主要造成襯砌板裂縫、隆起、架空、滑坡等凍害現(xiàn)象。為防止襯砌體的凍融破壞，本文從渠道防滲的凍脹破壞成因、凍害機(jī)理、凍害的防治措施三方面總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

1 凍脹破壞的形式及原因分析

1.1 混凝土板凍融破壞

混凝土防滲渠道由砂、石、水、水泥及增加抗凍、抗?jié)B強(qiáng)度的外加劑等材料組成，這些材料具有一定的吸水性，灌溉季節(jié)通常在水中運(yùn)行，在冬天的寒冷天氣過程中，材料內(nèi)部總是含有一定的水分，這些水分在凍融過程下，凍結(jié)成冰，體積會(huì)發(fā)生膨脹，當(dāng)這種膨脹作用下引起的應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫并增加滲漏和吸水性。這種情況在凍土層厚度在1.27m、全年無霜期96天、全年平均最低溫度-33.2℃的昭蘇縣是比較明顯的，并且對于全疆來講，昭蘇縣是混凝土防滲渠道凍脹破壞較嚴(yán)重地方?；炷练罎B渠道屬于剛性材料，受抗壓強(qiáng)度較高，但抗拉強(qiáng)度較低，適應(yīng)拉伸變形或不均勻變形能力差。在凍脹力或熱應(yīng)力的作用下，容易產(chǎn)生破壞?；炷练罎B渠道在第二個(gè)溫度變化負(fù)溫周期使結(jié)冰膨脹的作用更加嚴(yán)重和強(qiáng)烈，經(jīng)過多次凍脹后混凝土發(fā)生多次的應(yīng)力變化，最終導(dǎo)致混凝土防滲渠道的凍融破壞。輕微破壞造成混凝土表面的砂漿層剝蝕，嚴(yán)重將會(huì)出現(xiàn)混凝土防滲渠道凍裂。

1.2 混凝土板裂縫與鼓脹

在寒冷季節(jié)，混凝土防滲渠板與渠床基土凍結(jié)成一個(gè)整體，往往季節(jié)性承受著凍結(jié)力、凍脹力以及混凝土本身收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力等，當(dāng)這些應(yīng)力值大于混凝土板在低溫下的極限應(yīng)力時(shí)板體就發(fā)生破壞?，F(xiàn)澆混凝土防滲渠道凍脹裂縫，多出現(xiàn)在尺寸較大的現(xiàn)澆混凝土板順?biāo)较蚝退蛔兓牡胤?，縫位一般在渠坡腳以上1/2～3/4坡長范圍內(nèi)和渠底中部，還有渠底兩邊邊坡腳線連接處。兩邊邊坡壓頂連接處和渠道水位經(jīng)常變化的地方現(xiàn)澆混凝土板施工時(shí)砂、水養(yǎng)護(hù)很重要，如養(yǎng)護(hù)不到位混凝土表面出現(xiàn)裂縫，影響混凝土的標(biāo)號和強(qiáng)度。還有一些不均勻的橫縫及渠底邊坡連接處，渠底和邊坡兩塊板設(shè)計(jì)的伸縮縫處及兩邊邊坡和壓頂連接處出現(xiàn)一邊高一邊低的不均勻沉降縫等，當(dāng)冬季渠道積水時(shí)，一般出現(xiàn)在水面附近或正常水位變化的渠坡上。當(dāng)現(xiàn)澆混凝土防滲渠板塊尺寸較大不能適應(yīng)溫度收縮變形時(shí)，將由于溫度應(yīng)力造成縱向或橫向裂縫。因?yàn)檎烟K縣凍土層較厚，所以這種情況比較嚴(yán)重。因此設(shè)計(jì)和施工時(shí)根據(jù)工程地質(zhì)地形等設(shè)計(jì)情況現(xiàn)澆混凝土板防滲渠板塊尺寸不要過大。當(dāng)縫間止水材料不能適應(yīng)低溫變形時(shí)，在分縫處容易發(fā)生開裂。凍脹裂縫寬度與基土及戈壁墊層的厚度含土量是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求及戈壁墊層，分層夯實(shí)、壓實(shí)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求質(zhì)量等情況，都直接影響凍脹性能及不均勻性能有關(guān)。基土戈壁墊層處理達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)凍脹性弱，裂縫小基土戈壁墊層處理達(dá)不到設(shè)計(jì)要求凍脹性強(qiáng)，將發(fā)展成其他形式嚴(yán)重的破壞。溫度裂縫和拉裂縫一般較小，但是這些裂縫往往都與基土和戈壁墊層凍脹同時(shí)發(fā)生，因而縫寬亦隨之?dāng)U大，特別是其中的縱向裂縫常常發(fā)展成凍脹縫。一旦裂縫出現(xiàn)就難以或不可能在基土或戈壁墊層融化時(shí)完全復(fù)原，甚至有裂縫塊間相互擠頂而留下寬縫或局部擠碎。

1.3 混凝土邊坡板滑塌

渠道裂縫會(huì)不斷造成渠道滲漏水，由于泥沙通過裂縫被帶入板下，污染墊層加劇土的凍脹或水流通過裂縫被帶出板下戈壁墊層或土，板后戈壁墊層和土不斷沖刷，減少板后加空最后引起混凝土板斷裂或者滑塌，如一塊板滑塌整個(gè)渠道影響很大，給渠道整體安全運(yùn)行帶來危害影響灌溉，所以要及時(shí)停水搶修不然后果嚴(yán)重。在多年凍融循環(huán)作用下，裂縫寬度和凍脹累積發(fā)展導(dǎo)致混凝土破壞愈來愈嚴(yán)重，并且混凝土板滑塌和渠道沖毀的現(xiàn)象逐年增多。

2 防止凍脹破壞的措施

2.1 選擇合理的預(yù)制混凝土板尺寸

經(jīng)過多年的安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明，混凝土防滲渠道現(xiàn)澆板長寬尺寸或面積較小，抗凍脹效果較好，一般在昭蘇縣混凝土現(xiàn)澆板尺寸在2m×2m或2.5m×2m、1.5m×2m范圍內(nèi)比較合適。如有其他的情況,需根據(jù)渠道斷面大小和工程設(shè)計(jì)地質(zhì)、氣候等實(shí)際情況來確定現(xiàn)澆或預(yù)制混凝土板尺寸。

2.2 渠基土的置換

混凝土防滲渠道凍脹土基的處理方法有換填法和保溫層法，伊犁州和昭蘇縣常用換填法，戈壁料作為防凍脹換填材料，就地可以開采，抗凍脹效果好、施工簡單、造價(jià)低等特點(diǎn)。若采用保溫層法既加設(shè)苯板作為防凍脹材料具有抗凍脹效果好、自重輕、開挖土方少、強(qiáng)度高、吸水性低、隔熱性能好、施工工期短等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是材料運(yùn)距遠(yuǎn)，施工進(jìn)度要求高，地下老鼠啃壞比較嚴(yán)重，造價(jià)高等，伊犁州和昭蘇縣此方法使用較少。

2.3 根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)

結(jié)合昭蘇縣實(shí)際經(jīng)過多年的安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看混凝土防滲渠道設(shè)計(jì)流量、縱坡、沿渠床土壤渠道走向，渠道縱坡通過計(jì)算工程設(shè)計(jì)、土地等情況，綜合考慮確定。戈壁墊層厚度根據(jù)以上情況并多年設(shè)計(jì)施工和安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看分如下四種情況：

（1）設(shè)計(jì)流量在5m3/s～15m3/s是戈壁墊層厚度不小于0.5m～0.6m；

（2）設(shè)計(jì)流量在 5m3/s～1.5m3/s是戈壁墊層厚度在0.5m～0.35m；

（3）設(shè)計(jì)流量在1.5m3/s～0.8m3/s以下是戈壁墊層厚度0.35m～0.25m；

（4）設(shè)計(jì)流量在0.8m3/s以下是戈壁墊層厚度0.25m～0.2m。

2.4 加強(qiáng)質(zhì)量管理

混凝土防滲渠道壓頂設(shè)計(jì)施工時(shí)，必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)規(guī)范和施工規(guī)范要求進(jìn)行施工。壓頂后進(jìn)行排水，排水處理不好對混凝土防滲渠道凍脹和滲漏破壞是比較嚴(yán)重的，不良的渠道安全運(yùn)行養(yǎng)護(hù)，將會(huì)給當(dāng)?shù)貛砗艽蟮墓喔扔绊懞徒?jīng)濟(jì)損失，對灌溉和渠道的用水帶來困難。

2.5 混凝土防滲渠道的維修養(yǎng)護(hù)

混凝土板防滲渠道發(fā)生裂縫后，混凝土表面大致平整無較大錯(cuò)位時(shí)，如縫寬小可用氯乙烯膠液涂料上加水泥或花樣樹脂和水泥一定的比例拌合到一起，然后掃除混凝土損壞處的雜物，分縫用水沖洗干凈后刷到混凝土板裂縫處進(jìn)行修補(bǔ)；如較大的裂縫，可用切割機(jī)切開裂縫處寬度一般在2cm以上,厚度必須達(dá)到混凝土板厚度。掃除混凝土損壞處的雜物縫用水沖洗干凈后，可用細(xì)混凝土、砂漿或其他裂縫處理填賽材料進(jìn)行填塞材料維修。

3 結(jié)語

昭蘇縣多年來在農(nóng)牧區(qū)水利基本建設(shè)、大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程、中小型節(jié)水改造工程、防洪抗旱、堤防工程、牧區(qū)水利土地整理和定居興牧等工程上廣泛采用混凝土防滲渠道工程，對于已建渠道，應(yīng)運(yùn)用科學(xué)的手段加強(qiáng)管理和維護(hù)，逐步建立一套行之有效的管理制度，為昭蘇縣乃至北疆灌區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供借鑒?！?/p>

[1]陳雯龍.新疆混凝土防滲渠道凍脹破壞成因分析及防凍脹措施[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2011,03：45-47+55.

[2]馬越軍,劉愛林.麥蓋提基地農(nóng)場混凝土防滲干渠凍脹原因及防止措施[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,S2：227-229.

[3]吳英,于海波,蔣俊麗.葉爾羌河灌區(qū)混凝土防滲渠凍脹破壞的觀測研究[J].塔里木大學(xué)學(xué)報(bào),2005,03：76-79.

[4]佘光榮,劉柏冬.渭干河灌區(qū)混凝土防滲渠道的凍脹破壞及防治措施[J].黑龍江水利科技,2001,01：117-118.

[5]郭允霞,吉?jiǎng)?王立.淺議混凝土襯砌渠道的設(shè)計(jì)[J].黑龍江水專學(xué)報(bào),2002,01：68-69.