砼抗冻试块尺寸 浅析渠道砼衬砌抗冻胀措施

　　摘要 本文分析了冻土地区渠道冻胀的基本特征及渠道砼衬砌产生冻胀的原因，提出了防治冻害的几种有效措施。 　　关键词 渠道；砼衬砌；冻胀破坏 　　中图分类号U455.91 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）34-0098-02
　　0 引言
　　渠道的防渗衬砌是起到防渗、降低水量损耗、保护岸坡稳定、提高用水效益的作用，是有效的节水工程措施。但是，在我国一些季节性冻土地区，各种防渗衬砌渠道，尤其是刚性衬砌渠道，由于冻胀破坏产生的渠道变形、开裂和滑塌现象，严重影响了工程的正常运行和效益的充分发挥，大大降低了渠道的使用寿命。因此，从渠道的冻胀原因入手，寻求合理的抗冻胀措施，对提高渠道使用寿命有着十分重要的意义。
　　1 造成渠道砼衬砌冻胀破坏的原因
　　渠道冻胀破坏是由于渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌板，从而使衬砌板也承受不均匀冻胀变形的作用，当衬砌体内弯曲应力或剪应力超过一定范围时，便产生衬砌体的冻胀、裂缝鼓起、错位等形式的破坏。根据施工现场看，造成渠基土受冻引发衬砌不均匀冻胀破坏的原因主要有以下几点。
　　1.1 土质
　　在一定负气温条件下，当土质中的水发生水分迁移和分凝冰层时会导致土质冻结，进而造成砼衬砌冻胀破坏。而不同的土质冻结过程中，土质的水分迁移量不同，即土的冻胀敏感性不同。根据资料说明，土的冻胀敏感性决定于土颗粒的分散性、矿物成分等。一般随着颗粒粒径减少和分散性增大，其冻胀性也增大。粒径壤土>砂壤土>重粘土>砂土>砂砾。
　　1.2 含水率
　　从材料来说，渠道衬砌的材料具有一定的孔隙，其内部所含有一定的水分，在低温下结成冰，体积会发生膨胀，当这种作用引起的应力超过材料强度时，就会使衬砌体表面产生一定数量的小裂缝。再经过数次的周期性冻融循环，衬砌裂缝的扩展增强了渗漏，加快了基土的冻胀及衬砌的冻胀破坏。因此，渠基土的含水率是渠道砼衬砌冻害的决定性因素。渠基土含水率大，冻胀量就大；含水率小，冻胀量就小。同时，地下水位的埋深也对渠道的冻胀有重要的影响。有些渠道沿线的地下水位很高，在土壤冻结过程中，地下水将通过毛细管作用不断移向冻锋面，造成强烈冻胀。根据试验，冻土层距地下水位愈近，冻胀强度愈大。
　　1.3 温度
　　介质温度愈低，土中水分相变成冰愈多，冻胀愈强。低温时渠道输水使大量水分渗入土体，使砌体下土体水分增大。冷空气的侵袭，使土体水分迁移引起分凝冰层产生，导致土体冻胀和融弱层的出现及冷锋面的变化，破坏土体原结构。长期的低温，使土体表层与深层冷暖面温差越来越大，冻结缘不断将未冻区域水分迁移到冰凝层，使冻结缘越来越厚，在地下水位较高地域更严重。
　　1.4 防渗材料和结构形式
　　渠道主要采用的防渗材料为混凝土等刚性材料，因不能适应不均匀的冻胀变形易冻胀破坏；土料类防渗材料因耐冻性能差易冻坏。同时防渗层多为薄板形式，重量轻，对冻胀敏减。加之以往多采用梯形防渗渠道断面形式，造成了渠基冻胀变形的不均匀性，故冻害较严重。
　　2 渠道衬砌的抗冻胀防护措施
　　2.1 沙砾垫层置换基土
　　沙砾垫层置换基土技术是指用风积砂、砂砾石等弱冻胀性土，置换渠基原有土壤，降低冻胀量的方法。其换填厚度根据土壤类别、地下水位埋深确定，可按下式计算：
　　Zn=ε・Zd-δ0
　　式中：Zn为换基厚度，m；
　　ε为换填比，见表4；
　　δ0为防渗层厚度，m；
　　Zd为换基部位的设计冻深，m。
　　在工程中，为了避免粗砂换填设反滤层不经济、难施工和水流挟带泥沙易进入换填层影响质量的缺陷，可采取纤维砂袋换填的新方法。砂袋可起到隔离、排水和反滤3种作用，施工中易于搬运铺设，对外力的破坏有一定的适应能力，导水性弱，可较好地阻止冻结期基土中水分向换填层中转移，整体性强，能增强边坡的稳定性。
　　2.2 提高填方渠道质量
　　施工过程中，按照土石坝碾压施工要求，用压实或强夯分层碾压，提高基土密实度。要求干密度达到1 650kg/m3，使强冻胀土变成无冻胀土壤，从而达到防治冻胀的目的保证填筑标准。由于提高了填方的密实度，减少了土壤的空隙，提高了不透水性，减少了渗漏和基土的含水量，有助于防止基土冻胀。
　　2.3 控制渠基土含水率
　　一是采用排水法。在渠床冻层下设置纵、横向暗管排水系统（排水管可采用带级配的反滤砂石料也可用波纹塑料管或土工织物等新材料）降低地下水位和基土含水量，把渠床冻结层中的重力水或渠道旁渗水排出渠外。当深层地下水埋深大于工程设计冻深时，可在渠底每隔10m~20m设一盲井，使冻结层有排水路时，同时可在工程设计冻深底部设置纵、横向暗排水系统，把冻结层水或渠道旁渗水排出渠外；二是在渠道防渗层的顶部设置水平封顶层。为了延长渗径和防止外界水渗入渠基，在防渗层的顶部应设置水平封顶板。封顶板的宽度一般为15cm~30cm。当防渗层下有砂石换填层时，封顶板的宽度应大于二者宽度之和的10cm。当防渗层高度小于渠深时，应将封顶板嵌入渠堤。封顶板的材料一般与防渗层材料，或膜料防渗时保护层的材料相同；三是处理好工作缝和伸缩缝，防止渠水渗入渠基。混凝土等刚性材料衬砌必须设置伸缩缝，以适应温度影响和沉陷影响；四是修建填方渠道或暗渠；五是采用滤透式刚柔耦合结构衬护。滤透式刚柔耦合衬护结构主要由渠侧空心衬护构件、渠底衬护构件、空心部位充填材料和渠床保护滤料组成，渠侧空心衬护构件有矩形、三角形、Y形和拱形四种基本形式，内空充填材料宜用块石或卵石，下设砂砾石混合料垫层。实践表明，这种新型的衬护结构集输水、排水、固坡导渗和护渠等功能于一体，从根本上解决了高地下水位条件下渠道滑塌和冻胀破坏等诸多工程难题，技术可靠，经济合理。
　　2.4 优化防渗层材料和结构
　　一是为适应冻胀变形，采用沥青混凝土衬砌或采用沥青玻璃纤维布油毡、塑料薄膜与混凝土预制板两种材料复合衬砌结构形式。二是刚性防渗层的渠底采用弧形。它的结构计算简图是一个两端弹性支座的无铰（反）拱。当受到渠底基土冻胀力的作用时，在弧形渠底段的刚性防渗层内部受的是压应力，不易开裂。三是采用新型断面结构形式。U形渠道近年来发展很快，它具有输水条件好，占地少，挟沙能力强等优点，而且在冻胀变形中为整体变位，变形均匀，产生裂缝较少，适应于中小型的渠道。
　　2.5采取保温措施
　　在混凝土衬砌渠道上铺设聚苯乙烯保温板，平均每厘米厚保温板可提高基土温度1.3℃~1.8℃，阳坡为0.7℃左右。平均每厘米厚保温板可减少东西走向渠道阴坡为6.8cm~11.3cm，阳坡为5.0cm~11.7cm；南北走向渠道阴坡9.5cm~10.4cm，阳坡为6.9cm~9.5cm的冻深值，并随保温板厚度的增加冻深呈线性规律减小。在不同渠道走向阴、阳坡保温板厚度上，东西走向渠道阴坡上部铺设4cm~5cm，下部铺设8cm~l0cm厚保温板，阳坡上部铺设3cm、下部铺设5cm厚保温板，南北走向渠道阴坡上下部铺设5cm~8cm、阳坡上下部铺设3cm~5cm保温板。可基本或完全消除冻胀量，减小产生冻胀破坏。
　　3结论
　　渠道砼衬砌体的冻胀破坏成因是多方面的，但在施工过程中采取有效措施是可以预防的。置换基土、提高填方渠道质量、控制渠基土含水率、优化防渗层材料和结构及采取保温措施是防止砼衬砌冻胀破坏和运行过程中裂缝的重要措施。
　　
　　参考文献
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