新疆混凝土防渗渠道冻胀破坏成因分析及防冻胀措施.pdf
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1、工 程实践 新疆 混凝 土防渗渠 道冻胀 破坏成 因分 析及 防冻 胀措 施 2 0 1 1年 第 3 期 新疆混凝土防渗渠道冻胀破坏成因 分析及防冻胀措施 陈 雯龙 ( 新疆 水利水 电勘 测设 计研 究 院 ,乌鲁 木齐8 3 0 0 0 0 ) 【 摘要】 新疆气候寒冷 ,混凝土防渗渠道 的冻胀破坏问题是渠道设计 中需要解决 的关 键问题 。本文通过对混 凝土 防渗渠道冻害机理 和破坏型式分析 ,结合渠道 防冻胀设计 中采用 的基本 方法 ,论述 了在不同类 型冻胀土渠基上 ,混凝 土防渗渠道的防冻胀处理措施 以及施工技术要求 ,可为严寒地 区混凝土防渗 渠道的防冻胀设计 提供参考 。
2、【 关键词】 严寒地 区;混凝土防渗渠道 ;冻胀破坏 ;处理措施 【 DOI 编 码】l O 3 9 6 9 J i s s n 1 0 0 8 1 3 0 5 2 0 1 1 0 3 0 1 7 【 中图分类号】 T V6 9 8 2 6 【 文献标识码】 B 【 文章编 号】 1 O O 8 1 3 0 5( 2 0 1 1 )0 3 0 0 4 5 0 3 混凝 土板衬砌 结构 由于具 有施工 简单 、防渗效 果 好 、工程 运行安 全 的优 点 ,已是新疆 水利 工程建 设中广泛使用的一种渠道防渗技术,并取得了良好 的经 济效益 。新疆地 域辽 阔 ,冬 季气候寒 冷 ,负温 时 间长
3、 ,各地 冻胀土 的组成 、物理力 学 指标和 冻胀 特性也 不尽相 同 。如何 采用 经济 、合 理 的防冻胀措 施 ,防止 由于渠 基土冻 胀破 坏而引起 刚性混 凝土衬 砌渠道破 坏 ,危 害工程 运行安 全 ,是 严寒地 区混凝 土防渗渠道设计的关键。 1 混凝土防渗渠道冻害机理和破坏型式分析 混凝土 防渗渠道 的冻 害一般有 三种类 型 : 渠 道混凝土板的冻融破坏 ;渠道内水体结冰对混凝 土板 的破坏 ; 渠基 土冻融 对混凝 土板 的破 坏 。 1 1 渠道混凝 土板 的冻融破 坏 渠道混凝 土板属薄板 结构,板厚一 般为 6 1 5 c m,它 是 由水 泥 、砂 、石 、水
4、和 外 加 剂 等 材 料 胶 结而成 。 由于混凝 土在水 化过程 中会形 成一 些细 微的空隙,在加上砂 、石这些材料本身具有定的 吸水性,且长期处在水 环境 中,在冬季负温条件 下 ,其内部的空隙水 由于结冰而体积发生膨胀 ,冰 体积比水体积增大 0 0 9倍。当冰体积膨胀产生的 拉应力大于混凝土本身允许的拉应力时,混凝土就 会产生裂缝,经过多个冻融化循环和冻胀力的反复 作用 ,最终导致混凝土板的冻融破坏。 1 2 渠 道 内水 体结冰对 混凝 土板 的破坏 新疆 冬季运 行 的渠 道 ,多用于径 流式水 电站 的 引水 ,常采用输 冰运 行方 式 。由于新 疆 气候 寒 冷 , 在遭遇
5、西伯利亚寒 流或气温持续大 幅下降 的气候 下 ,水 中的浮冰在渠 道 弯道 处 由于流速 减小而容 易 堆积 ,冰体从 渠边 向渠 中心发展 ,形成冰 盖 。而 上 游的浮 冰源源 不断 的输 送到 下游 ,造成 弯道处 的冰 盖 越结越 厚 ,对 渠道 两岸 的混 凝土板 产生 冰压力 和 冰推力 ,容易造成混凝土板衬砌结构断裂和位移破 坏 。 1 3 渠基 土冻 融对混 凝土板 的破坏 混凝土 板( 预 制 混凝 土 板 ) ,属 于 刚 性 材 料 , 具有较高的抗压强度,但抗拉强度较低 ,适应拉伸 变形或 不均匀 变 形 的能 力 较差 。在 冻胀 力 作 用下 , 容易破坏,其破坏
6、形式主要有 以下几种型式 。 ( 1 )混凝 土板鼓胀 及裂缝 :在冬 季 ,混凝 土板 与渠床基土冻结成一个整体 ,承受着冻结力 、冻胀 力 ,以及混凝土板本身收缩产生的拉应力等,当这 些应 力值大 于混凝 土板在低 温下 的极 限应 力时 ,混 凝土板 就会 产生鼓 胀和裂缝 ,增 加 了渠基 土 的含 水 量,在逐年冻融循环作用下 ,混凝土板裂缝会逐年 加宽 ,造成混凝土板冻胀破坏越来越严重 。 作者简介:陈雯龙 ( 1 9 6 6 年一) ,男;河南省安阳市人,高级 工程师 。 4 5 工 程实践 新疆混凝 土 防渗 渠道冻 胀破坏 成因分析 及防 冻胀措施 2 0 1 1年 第 3期
7、 ( 2 )混凝 土板架 空隆起 :在地下 水位较 高的渠 段 ,由于渠 床基土距 地下水距 离近 ,冻胀量 大 ;而 渠顶 基土距地 下水距 离远 ,冻胀量小 ,造成 混凝土 衬砌 板大 幅度隆起 、架空 。这种现象 ,一般 出现在 坡脚 、边坡水 面 以上 0 5 m 坡长处 和渠底 中部 。 ( 3 )混凝土边坡板滑塌。渠道衬砌的冻融滑塌 有两 种形 式 :一 是 由 于 冻胀 引起 混 凝 土 板 隆起 架 空 ,使得坡脚支承受到破坏 ,混凝土板垫层失去稳 定平 衡 ,因而基土融 化时 ,上部混凝 土板块顺 坡 向 下滑 移 、错位 、互相 穿插 、迭叠 。二 是渠坡 基土融 化期 的
8、大面 积滑坡 ,使渠坡 滑塌 ,导致坡脚 混凝土 板被 推开 ,上部混凝 土板塌 落下滑 。 ( 4 )渠道整体结构抬高 :对于在渠基土冻胀性 比较 均一 ,衬 砌结构 比较完 整 的小 型渠道 ,冬季 由 于渠基土冻胀力,造成衬砌结构整体抬高。融化期 由于渠基土的不均匀沉 降,造 成衬砌结构产生裂 缝 ,通水 时水流通过 裂缝对 渠基进行 淘刷 ,破坏渠 道基 础 ,造成 衬砌结 构的变 形 、错位 、塌 陷 ,从而 造成 渠道衬 砌断面 的冻融破 坏 。 2 混凝土防渗渠道防冻胀处理措施 实践证 明 ,防治 混凝土 防渗渠道 的冻害 ,要针 对渠 道产生 冻胀 的原 因 ,从 渠系规划 布
9、置 、衬砌断 面形式 、衬砌 材料 、基 础处理 、保温 、排水 、施工 质量 等方面考 虑 ,采 取综 合性 的 防冻害 处 理措 施 , 才能取 得较好 的防治效 果 。防止冻 害的方法 主要有 回避冻 胀法 、适应冻胀 法 、消减冻胀 法 。 2 1回避冻 胀法 在 混凝 土渠道 防渗工程 的规划设计 中,应 注意 避开 出现较大 冻胀量 的 自然 条件 。 ( 1 )在选择 渠线 时 ,尽 可能避开 粘质土壤 、松 软土层 、淤 泥沼泽和 高地下水 位的地 段 ,选择 透水 性较强 、地下水位埋藏较深、地形较高的地段 。 ( 2 )在地下 水位较 高的渠 段 ,尽 可能采用 填方 渠道
10、 ,将混凝土渠底冻结层控制在地下毛管水补给 高度以上 ,尽 量采用管道 、桩基 、渡槽和架空结 构 ,避开 与冻胀 土接触产 生冻胀 的影 响 。 ( 3 ) 在有渗水 和地 面回归水入 渠 的渠 段 ,应设 置排 水设施 ,减少 渠基土含 水量增 加 ,防止 由于渠 基 土含水量 增加造成 的冻胀 破坏 。 2 2适应 冻胀法 对于渠基 土 的冻胀 性为 I、 级渠道 ,当计算 冻胀位移量与衬砌结构允许位移量相差不大时,可 采用适应冻胀位移的结构措施 。如对大型混凝土防 46 渗渠道,断面型式可采用弧形底梯形断面、弧形坡 脚梯形断面等型式 ;对小型混凝土防渗渠道 ( Q 1 m。 s ) ,
11、可采用 预制混 凝土 “ U”形 断 面和现浇 混 凝土 “ U”形 断 面 ,该 断 面型 式 具 有 占地 面 积 小 , 抗冻 胀性能好 的优 点 ,已在新疆 灌 区节 水改造 工程 中得 到 了广 泛 的应 用 。另外为适应 由于冻胀产 生的 冻胀变形 ,可通过调整刚性衬砌断面的纵、横缝的 间距 、伸缩缝 的缝型和缝问充填材料达到消减冻胀 变形的 目的。现浇混凝土板横缝 问距 一般为 2 4 m,纵缝 间距一 般为 1 3 m,缝 宽 2 3 c m,缝 间 充填 材料 常采 用 聚氨脂砂浆 、聚氨脂 、焦油塑 料胶 泥、沥青砂浆等。 2 3消减 冻胀 法 对于渠基 土 的冻胀性 为
12、、 级渠 道 ,当计算 冻胀 位移量 远远 大于衬砌 结构允许 位移 量时 ,可采 用消减冻胀法。消减法就是将基土的最大冻胀量削 减到 混凝 土结 构允许 的变 形范 围 内。常采用 消减冻 胀 的方法有 置换法 、隔热保 温法 、压实 干密度 法 。 ( 1 )置换 法 :置换法 就是用 非冻胀 土将渠 基冻 结深 度范 围的冻胀 土置换 出来 , 以达 到消减冻胀 的 目的。非冻胀土换填厚度可根据渠基土 的设计冻 深 、置换 比、衬砌厚 度计算 确定 。常采 用 的换填 材 料有 砂卵砾石 、中粗 砂 、风积砂 等 ,要 求换填 材料 中粒 径小 于 0 0 7 5 mm 的 土粒 的质
13、量 不大 于总 质 量 的 1 0 。上述 材料 能 排 除 渗水 和 阻 止下 层 水 分 向 表层冻结区迁移,能有效地减少冻胀,防止冻害现 象 的发生 。当换填层 有饱水 条件 冻结 时 ,必须保 证 冻结 期换填层 有排水 出路 。 ( 2 ) 隔热 保温法 :是将 隔热 保温材 料布设在 混 凝土 板衬砌体 背后 ,减轻或 消除寒 冷 ,并 可减少 换 填垫 层厚度 ,隔断 下层土 的水分 补给 ,从而减轻 或 消除渠床的冻深和冻胀。目前采用的保温材料有炉 渣、珍珠岩、聚苯乙烯泡沫塑料板等。随着化工行 业 的飞速发展 ,聚苯 乙烯泡 沫塑 料板这 种具有 自重 轻 ,强度高 ,吸水性
14、低 ,隔热性好 ,运输 和施工方 便等优点的保 温材料,已在新 疆得到了广泛的使 用 。聚苯 乙烯 泡 沫 塑料 板 厚 度 一 般 取设 计 冻 深 的 1 1 O 1 1 5 ,厚 度在 5 l O c m,大 型渠道 聚苯 乙烯 泡沫塑料板厚度可通过热工计算确定 。 ( 3 )压实干密度法 :就是采用强夯提高粘土的 干密度,降低土的渗透性 ,阻碍水分迁移、聚集, 达到削减甚至消除冻胀的目的。由于该种方法须先 做好排水设施 ,并且适用于渠底和填方段 ,施工工 序较为繁琐 ,质量较难控制 ,在新疆很少应用。 工 程实践 新疆 混凝 土防渗渠 道冻胀 破坏 成 因分 析及 防冻胀措 施 2 0
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