現(xiàn)澆混凝土渠道施工期凍脹原因及預(yù)防措施

賈清順

（河南省河川工程監(jiān)理有限公司，河南 鄭州450016）

1 工程案例

某河灌渠，渠首位置在該河的中游，上游流域面積達(dá)到了2019 平方公里，灌區(qū)的設(shè)計(jì)灌溉面積達(dá)到了7200 平方公里，可以對6800 平方公里的面積進(jìn)行有效灌溉。近期對該灌渠進(jìn)行拓展和改建。其中，混凝土現(xiàn)澆襯砌渠道長76.7km，沿河新辟梯形明渠，渠底寬9.1～13.5m，渠內(nèi)坡1∶2.25，外坡1∶2.0，渠道縱坡1/18000，采用全斷面現(xiàn)澆混凝土防滲襯砌。

本灌渠各部位置受到差異輻射量，其中在陰坡位置、陽坡位置、以及渠底部分的凍土層的深度也不相同。其變形圖如圖1所示：

圖1 梯形砼襯砌渠道破博示意圖

2 混凝土渠道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹破壞的判斷準(zhǔn)則

判斷混凝土渠道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹破壞的準(zhǔn)則依據(jù)幾點(diǎn)：第一，判斷在混凝土襯砌的填縫處所承受的各方向的剪力作用是否超過所混凝土填充材料的剪力標(biāo)準(zhǔn)值范圍；第二，是否產(chǎn)生一些過大且不可恢復(fù)的變形受力而致使渠道混凝土結(jié)構(gòu)的凍脹破壞；第三，混凝土渠道襯砌板所受到的最大彎矩位置的拉應(yīng)力是否超過所混凝土的拉應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值范圍。以上幾點(diǎn)主要取決于基土凍脹量h 的大小。

3 案例分析

在施工過程中發(fā)現(xiàn)2 號段和5 號段區(qū)域出現(xiàn)了凍脹上浮的情況，主要是一些澆注成型的渠底混凝土板，并且出現(xiàn)了渠底襯砌板抬高，抬高的最高處甚至可以達(dá)到三厘米，一些混凝土板縱向縫錯(cuò)臺的問題，個(gè)別區(qū)域的渠底襯砌板出現(xiàn)了隆起、裂縫等現(xiàn)象，并且產(chǎn)生了大量的縱向裂縫，寬度可以達(dá)到一毫米。個(gè)別區(qū)域的襯砌板主要位于坡腳一米位置，產(chǎn)生了大量順著渠道的縫隙，這些縫隙主要在于渠坡陰面位置。

作者簡介：賈清順（1964-），漢族，學(xué)歷：?？?，研究方向：項(xiàng)目管理、新技術(shù)應(yīng)用、施工安全、綠色建筑、成本控制。

3.1 凍脹出現(xiàn)的原因分析

對該渠底襯砌板進(jìn)行拆除，發(fā)現(xiàn)渠道襯砌砂礫料墊層厚度較高，在頂面以下凍土深度達(dá)到50～60 厘米，砂礫料墊層往往全部被凍結(jié)成塊，凍土厚度甚至可以達(dá)到10～20 厘米。在地下水位與襯砌土板頂面的距離為50 厘米，單從工程設(shè)計(jì)方面講,砂礫料所產(chǎn)生的凍脹能夠影響整個(gè)渠道結(jié)構(gòu)體的受力穩(wěn)定性, 凍脹力的設(shè)計(jì)雖然是作為一種外力，但需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮其可能帶來的穩(wěn)定性計(jì)算的影響。

3.1.1 混凝土渠道渠底板凍脹受力分析

根據(jù)本工程渠底板建立相應(yīng)的力學(xué)模型的渠底部受力圖，如圖2 所示，圖中Nx即渠坡部分的襯砌板所沿豎軸方向?qū)η撞克a(chǎn)生的約束反力，N 即渠基的凍土部分對渠底所產(chǎn)生的反向約束力；而渠底位置襯砌板的中心點(diǎn)處產(chǎn)生最大彎矩，因此，渠底襯砌板的底板出現(xiàn)裂紋，而且集中在底板中心位置的最大彎矩處。

圖2 渠底板受力圖

3.1.2 渠坡鹼襯砌體凍脹受力分析

本工程中，首先選取了陰坡襯砌板作為研究對象（以單位寬度為研究依據(jù)），渠坡鹼襯砌在受力不同的相互作用下，其中切向凍結(jié)力和法向凍脹力q 之間的互為作用。在陰坡板的不同部位都有明顯的初始裂紋，但陰坡板受力最嚴(yán)重部位是在距離B端的L/3 處截面位置上，由圖可見，該截面的受力部位，在承受法向凍脹力q 的同時(shí)，也受到法向凍結(jié)力Fa 的作用，致使彎矩M 的受力作用，同時(shí)還受到法向凍脹力q 和Fa 所引起的剪切力Q 的共同作用，其受力圖，如圖3 所示。

圖3 坡板裂紋1/3 處局部受力分析圖

3.1.3 氣象情況所產(chǎn)生的凍脹破壞的原因

首先是由于特殊氣候因素的影響，依照灌渠沿線氣象資料分析，在該區(qū)域冬季的氣溫較低，在某年1 月份出現(xiàn)了連續(xù)4 天低于零下10 攝氏度的溫度，最低溫度可以達(dá)到零下15 攝氏度，并且出現(xiàn)了30 年一遇的嚴(yán)寒天氣，冬季具有大量的雨雪，這些雨雪會順著坡向渠底流去，并且通過施工縫和一些裂縫滲到砂石料墊層底部，在遇到低溫的條件下會導(dǎo)致墊層大量凍結(jié)，這樣會導(dǎo)致寒冷凍層加厚，造成墊層和地基出現(xiàn)嚴(yán)重的凍脹。在渠底地基及墊層出現(xiàn)凍脹之后，渠底襯砌板會由于兩側(cè)坡腳位置的渠坡襯砌約束而導(dǎo)致大量的約束應(yīng)力，影響渠底襯砌板，造成裂縫等問題。

其次是地下水位影響。通過對現(xiàn)場進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)凍脹區(qū)域的地下水位相對較高，水位與砂石墊層之間的距離為20～40 厘米，在持續(xù)低溫的條件下凍結(jié)緣會逐步加厚，而后由于毛細(xì)現(xiàn)象的作用會導(dǎo)致地下水上升，逐步滲透到粒料墊層當(dāng)中，導(dǎo)致墊層出現(xiàn)結(jié)凍等情況，最終出現(xiàn)凍脹破壞[1]。

最后是地質(zhì)因素影響。某些渠段渠坡的中間位置或者渠底位置出現(xiàn)一定的粘土層，這些粘土層含水量較大。在持續(xù)低溫條件下這些水分會由于滲透和凍結(jié)的作用逐步向沙粒料墊層當(dāng)中滲入。在此過程中會產(chǎn)生凍脹等問題，造成地基面板出現(xiàn)嚴(yán)重的凍脹現(xiàn)象，最終產(chǎn)生裂縫，破壞建筑結(jié)構(gòu)。

3.2 預(yù)防及處理措施

3.2.1 規(guī)避凍脹易發(fā)環(huán)境

為了對渠道混凝土凍脹的情況進(jìn)行有效控制，在工程規(guī)劃過程中首先需要注意了解地質(zhì)情況，規(guī)避一些凍脹引發(fā)的區(qū)域。首先在渠道線路設(shè)計(jì)選擇方面，需要選擇一些地下水位深、土質(zhì)透水性好、地勢較高的地段，防止渠道建設(shè)在一些有大量粘性土和淤泥、地下水位較淺或者土質(zhì)松軟的路段。其次需要注意如果無法避免在地下水位較高的區(qū)域施工，需要重視加強(qiáng)渠道填方，合理地對混凝土凍脹進(jìn)行控制，并且使其處于地下補(bǔ)給水位之上[2]。

3.2.2 控制基土凍融位移范圍

如果渠道的基礎(chǔ)為三級、四級，在計(jì)算出實(shí)際位移最大值后，對基礎(chǔ)的凍脹、位移進(jìn)行有效控制，保證其在合理范圍內(nèi)。一般而言，對基土工程進(jìn)行控制的方式有兩種。

首先為砌置換凍脹土法，主要是將基土凍脹范圍內(nèi)的一些基礎(chǔ)置換出來，對凍脹的位置進(jìn)行控制。在換填高度確定的條件下，依照基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的具體要求合理地進(jìn)行混凝土襯砌厚度以及實(shí)際防凍深度的確認(rèn)。在置換過程中使用一些粗沙、砂礫石為基礎(chǔ)，進(jìn)一步排除基礎(chǔ)當(dāng)中的滲水，阻止地下水流向上方移動，形成凍結(jié)區(qū)，讓渠道出現(xiàn)凍脹的概率降低。與此同時(shí)，在使用該方法時(shí)如果換填層出現(xiàn)飽和水時(shí)，需要注意加強(qiáng)排水系統(tǒng)的建設(shè)。

其次為砌隔熱保溫方法，主要是將保溫材料與混凝土的施工結(jié)合，主要設(shè)計(jì)在混凝土的砌體下方。這樣可以有效的降低渠道受嚴(yán)寒的影響。另外可以降低墊層厚度，阻斷地下水向上方移動，控制渠道基床的凍脹災(zāi)害。一般情況下，使用珍珠巖和聚苯泡沫為渠道的保溫材料[3]。

3.2.3 合理控制混凝土施工

如果凍脹等級為一級和二級，在凍脹區(qū)域和混凝土位置最大位移相近，需要重視對混凝土的施工進(jìn)行有效控制，以避免由于環(huán)境因素導(dǎo)致凍脹。在此過程中使用弧形坡角和弧形渠底的斷面施工形式。在一些小型混凝土渠道當(dāng)中，使用預(yù)制u 型混凝土斷面并且進(jìn)行澆鑄成型。該施工結(jié)構(gòu)斷面占地較小，而且具有較強(qiáng)的抗通脹能力，適合環(huán)境因素所造成的各種凍脹形變。在實(shí)踐當(dāng)中需要合理調(diào)整伸縮縫，并且注意使用正確的填料，以避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍脹的現(xiàn)象。比如說混凝土的橫向間距控制在3～4 米、縱向間距控制在2～3 米時(shí)，可以設(shè)置2～3 毫米的伸縮縫，并且在縫中使用聚氨酯、瀝青砂漿和塑料膠泥等作為填充料。

3.2.4 渠底渠坡襯砌的優(yōu)化

如果冬季無法蓄水保溫，需要注意科學(xué)地對渠坡的保溫，不能完全封閉渠底襯砌，防止冬季出現(xiàn)渠底、渠坡相互約束而造成應(yīng)力，影響整個(gè)工程。另外還需要注意及時(shí)做好施工縫的處理，在切割施工縫位置補(bǔ)充一些止水材料，避免出現(xiàn)滲水等現(xiàn)象。其次需要渠坡黏土夾層帶處理。為了避免渠坡粘土夾層出現(xiàn)凍脹，需要去除一些富含水分的粘土夾層，讓換填墊層的厚度增加，這樣可以有效的提升防凍脹和排水的效果，尤其是在陰坡位置。另外，還需要重視渠底襯砌板凍脹抬高、錯(cuò)臺處的處理。渠底襯砌板由于種種原因而導(dǎo)致抬高、錯(cuò)臺，隨著溫度的升高會逐步恢復(fù)，不會產(chǎn)生較大的影響。個(gè)別區(qū)域的抬高仍然較大，整塊板都會出現(xiàn)斷裂，在此條件下需要重新進(jìn)行拆除后完成澆筑工作。最后，需要對未貫通的裂縫處理。對于一些未貫通的裂縫，需要依照裂縫的具體類型來對實(shí)驗(yàn)處理方案進(jìn)行確認(rèn)，在氣溫合適時(shí)處理裂縫，以符合具體要求[4]。

結(jié)束語

在氣候復(fù)雜的環(huán)境下，合理的對防凍脹技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，可以有效地保證渠道的防滲工作，這也是當(dāng)前水利工程施工和維護(hù)的重點(diǎn)，在渠道建設(shè)時(shí)，需要對防凍脹的方法進(jìn)行科學(xué)的使用，合理地進(jìn)行材料的配置，防止出現(xiàn)凍脹災(zāi)害，以提升工程的質(zhì)量。