寒区混凝土渠道设计与施工要点.pdf
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1、水利建设与管理 2 0 1 1 年第 7期 寒星 爱凝主瀑邋淫静岛麓z薹意 张茂堂 蒋有能 ( 云南省水利水电科学研究院 昆明 6 5 0 2 2 8 ) 李中校 ( 迪庆州水利水 电勘察设计所6 7 4 4 0 0 ) 【 摘要】 冻融剥蚀破坏主要发生在云南省滇西和滇东北的寒冷地区, 它对输水渠道危害性较大, 在水位变幅区混 凝土表面经过长期冻融循环破坏, 最终导致混凝土表面疏松剥落; 在外部土体冻融循环过程中, 结构产生冻胀, 出现 位移、 拉裂变形, 形成渗水通道 , 再经过无数次的循环冻胀受损, 最终导致结构遭到破坏。本文根据滇西迪庆州渠道 设计、 施工的实践经验, 对冻融破坏的机理和
2、原因进行了分析, 提 出了寒冷地区混凝土渠道设计施工的要点, 供有关 类似工程参考使用。 【 关键词】 寒区渠道设计施工 1 渠道工程冻融破坏情况 云南滇西北 的迪庆州年 日最低气温不大于 0 o C日数 为 1 7 0 1 9 0天 , 昭通市大 山包 、 丽江市宁蒗县 、 怒江州 兰 坪县、 大理州剑川县等高海拔地 区为 1 0 0 1 3 0天 , 昭通市 中部 、 丽江市 中部 、 大理州北部为 6 0 8 0 天 , 这些寒冷地 区已运行多年的混凝土渠道 ,大部分只按普通混凝土施 工 , 没有考虑抗冻性 , 因而均不同程度地 出现冻融破坏 。 通过对寒冷地区渠道进行调查发现 ,渠道均
3、遭受不同程 度的冻融剥蚀破坏 ,产生的原 因主要是寒冷地 区的特殊 气候条件 ( 寒冷地区 日照时间短、 昼夜温差大、 冬季气温 低 、 降雪及在负温下 易形成冻土等 ) , 发生冻融剥蚀破坏 的几种情况见下表 。 2 冻融破坏机理及原因分析 2 1 冻融破坏机理 2 1 1 混凝土结构 自身冻融破坏机理 混凝土是 由硬化水泥浆体 和骨料( 含毛细孔 ) 组成 的复合材料 ,为了获得浇筑混凝土所需要 的和易性 , 其 拌和水量总要多于水泥水化合所需的水量 , 多余的水量 便 以游离水的形式滞 留在混凝土 中, 形成 占有一定体积 的连通毛细孔 , 这些连通 毛细孔就是导致混凝土遭受冻 坏的主要
4、原因 , 特别是渠道 , 混凝土与水直接接触 , 形成 压力进入混凝土毛细孔中 ,当混凝土在负温下受冻 时 , 毛细孔 中的水结 冰膨胀 , 正温下则 融解 , 反复循环 冻融 导致结构破坏 。根据美 国学者 T c P 0 w e r s e提出的膨胀 冻 融 破 坏 及 降 雪 影 响 情 况 调 查 表 破 坏 类 型 特 征 受 损 部 分 受 损 程 度 常年在同一水位运行, 内 冻坏深度随冻融次数的增加而增大, 阴、 电站引水渠 侧面水位变幅上下 8 1 O c m, 比较固定 水压力与外力平衡 阳面受损程度相当 冻坏范 围随着水位 变化而增大 ,深度 随 一 般输水渠 水位变 幅
5、一般 侧面水 位变化 5 - 8 c 处 次数增加而增大 ,阴、 阳面受损程度相当 低水位运行情况破坏程度最严重,冻胀 季节性渠道 冻融断面大 ,水位变幅大 侧面水位变化 5 - 8 e ra 处, 底部 1 - 2 c m 力影响最大 ,阴面破坏程度大于阳面 压和渗透压理论_ 1 , 吸水饱和混凝土在冻融过程中遭受 的 破坏力主要由两部分组成: 膨胀压力: 当混凝土中的毛 细孔水在某负温下产生物态变化, 由水转变成冰时, 体积 膨胀为 9 , 因受毛细孔壁约束形成膨胀压力 , 在孔周围 的微观结构中产生拉应力 ; 渗透压力 : 由于表面张力作 用 , 混凝土毛细孔中水的冰点随着孔径的减小而降
6、低 , 因 而在粗孔中的水结冰后 ,由冰与过冷水 的饱和蒸气压差 和过冷水之 间盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。 另外 ,过冷水迁移渗透 的结果必然会使毛细孔 中冰的体 积不断增大 , 从而形成更大的膨胀压力 ,当混凝土受冻 张茂堂等, 寒区混凝土渠道设计与施工要点 3 1 时, 这两种压力损伤混凝土的内部微观结构 , 但一次循环 作用不足以使混凝土的力学性能发生宏观变化 ,当经过 无数次冻融循环后 , 逐步积累不断扩大, 最后发展成蜂窝 状 、 掉块 , 使混凝土的强度逐渐降低 , 甚至完全丧失。 2 1 2 周围环境对混凝土产生冻融破坏机理 寒冷地区冬季夜间气温长时间处于负温下,时有降
7、 雪过程 , 整个地表 区将产生冻土现象 , 这时渠道两侧 回填 区域也将产生膨胀压力及渗透压力 ,冻土层深度将影响 渠道的结构设计 ( 这一现象可通过寒冷地 区房屋周 围散 水及混凝土道路长期观察所得结论加以说明。 首先降雨 、 降雪在周围形成游离水进入混凝 土表层及周围土体 , 形 成负温下由水变成冰的条件, 随着气温的不断降低 , 形成 膨胀压力 , 将混凝土抬升拉裂凸出地表 ; 反之随着气温升 高 , 冰转成水后体积缩小, 混凝土又降落回地表, 这一现 象在寒冷地区冬季最为常见 ,特别是 阳光 照射不到的角 落最为普遍 ) 。 因此在寒冷地区渠道设计中必需考虑这一 特殊膨胀压力的存在。
8、 2 2 发生冻融破坏 的部位及特点 a 发生冻融循环的部位。 寒冷地 区渠道 , 冻融循坏破 坏主要发生在渠道水位变幅区、渠道与连接建筑物部分 ( 包括伸缩缝 、 施工缝等 ) 以及渠道通过地下水位较高 的 地段。 b 破坏的特征及形态。 寒冷地区渠道在经受反复冻融 循环破坏后 ,一般表现形式为 :混凝土表面开始变得粗 糙一 形成蜂窝状一表层水泥浆脱壳一骨料裸露一掉块一 空洞整个断面在受外部膨胀压力的作用_ + 断裂破坏。 2 3 发生冻融破坏 的原 因分析 遭受冻融破坏的原因一般可以归结为以下 兀 个方面 : a 渠道混凝土表面不密实 ,在渠道运行过程中水在 压力作用下进入混凝土毛细孔 中
9、滞 留,对混凝土原材料 ( 砂、 碎石骨料、 水泥 ) 及配比选择不当。 b 混凝 土没有按抗冻要求设计 或抗冻标号设计 偏 低 , 抗冻标号在寒冷地 区混凝土设计 中尤为重要 , 选择是 否恰 当将直接影 响工程的运行寿命。 c 施工过程中放松了质量管理( 材料管理、 混凝土配 比、 拌和及浇筑振捣、 早期养护) 。 d 昼夜温差变化大、 降雪频繁。 3 寒冷地区混凝土渠道设计 为防止和减少工程受到冻融循环破坏 ,延长工程寿 命, 必须在设计中加以考虑, 制定相应的防治措施。通过 对寒冷地 区电站引水渠道的调查发现 ,由于水 电站引水 渠道多年都在同一水位线上运行 ,发生冻融循环破坏 的 部
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