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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 。 【 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 ，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 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 ( 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 ，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 ) ，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 、 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 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 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 1 1年 第 3期 3 不 同类 型冻胀 土渠 基上 的混 凝土 防渗渠 道 防冻胀处理措施 3 1 泥岩 基础上 的 防冻 胀处 理措施 新疆北 疆某 凋 水工 程 ，渠 道 断面 型式 为梯 形 ， 防渗型式采 用预制 混凝土 板 +塑 膜 。其 中部分 渠道 基 础岩性 为泥岩和砂 岩 。根据试验 资料分 析 ，泥岩 和砂岩 没有湿 陷 性 和盐 胀 特性 ，砂 岩有 弱冻 胀 性 ， 泥岩有 冻胀性 和膨胀 性 。考虑 泥岩遇水 膨胀 和冻胀 性是造成渠道边坡 塌滑 ，衬 砌结构破 坏 的主要原 因。 因此采用换填非冻胀土+排水的处理措施 。换 填厚度 为 1 2 m，其 中衬砌结 构 以下换 填 4 0 c m 砂砾 石 ，砂 砾石下换 填 8 0 c m 白砂 岩。并设 置 纵、横 排 水 系统 。 该工程 已投入运行多年 ，目前运行情况 良好 。 3 2 沙漠 明渠混凝 土防渗 渠道 防冻胀处 理措施 新疆 北 疆 某 调 水 工 程 沙 漠 明 渠 全 长 1 4 9 k m， 设计流量 5 5 4 7 5 0 m。 s 。渠道断面型式为梯形 ， 防渗型式 采用预 制混凝 土板 +塑膜 。渠基 土为粉 细 沙 ，颗粒 细 ，保水 性好 ，属冻胀 土 。由于沙 漠降水 量 和降雪量 稀少 ，且 该渠 道地下 水埋深 较深 ，渠道 防冻胀 采用换 填 非 冻胀 土 的措 施 ，不 设 排水 系 统 。 砂砾料换填厚度为 4 0 c m。该渠道经过几年的运行 ， 未发生 冻胀破 坏 。运行 情况 良好 。 3 3平原明渠 高地 下水 位 混 凝 土 防渗 渠道 防冻 胀 处 理措施 新疆 北 疆 某 平 原 明 渠 全 长 5 7 k m，设 计 流 量 2 5 m。 s ，渠道 断 面 型 式 为 梯 形 ， 防渗 型 式 采 用 预 制混 凝土板 +塑膜 。渠基 土为第 四系全新 统低 液 限 粉土、低液限粘土 ，属冻胀土。部分填方段渠道地 下水埋 深为 1 2 m，渠 道 防 冻 胀 采 用换 填 非 冻胀 土+排水 的处理 措施 。换填 材料 为 3 0 6 0 c m 砂砾 石 ；并设 置纵横排 水 系统 ，在 渠底 中心位置设 一道 纵 向排 水 沟 ，排 水 沟 断 面 为 0 6 m 0 6 m ( 宽 深 ) ，排 水 沟 上 层 为 3 0 c m 的 5 2 0 mm 小 石 反 滤 层 ，下层为 3 0 c m 的 4 0 8 0 mm 大石排 水体 ，排 水 沟上设砂 砾石 层 。沿线 在排 洪建筑 物和有 排水条 件 的位置设横向排水沟 ，排水管径 1 5 0 5 0 0 ram。工 程于 2 0 0 5 年投入运行 ，未发生冻胀破坏。运行情 况 良好 。 3 4 非 自重湿 陷性 黄 土混 凝 土 防渗 渠道 防冻 处理 措 施 新疆伊犁 某长距 离输 水渠 道全 长 1 6 2 7 k m， 设 计流量 7 4 m。 s ，加大 流量 8 5 m。 s 。其 中黄 土 区 渠线 长度约 3 6 k m，渠 道 断面 型式 为 梯形 断 面 ，采 用预制 混凝 土板 +塑 膜 的防渗型式 。渠基 黄土 为原 生黄土和次生黄土 ，为非 自重湿陷性黄土 ，属冻胀 土。由于渠道基础具有湿陷性 ，为防止基础沉降对 混凝土的破坏 ，对渠道采用预浸水法处理措施 。渠 道 防冻胀采 用换 填非冻胀 土 +排水 的处理措施 ，砂 砾石 换填厚 度 为 5 0 8 0 c m，排 水 措施 根 据 防冻 胀 渠段 地下水 埋深及 透水层埋 深 的不 同 ，设 置 了不同 的纵横 向排 水形式 。 ( 1 )在地 下水埋 深较大 的渠段 ，渠坡及 渠底换 填的砂砾石垫层 即是 良好的排水通道 ，横向排水平 均 问 隔约 5 0 0 m，横 向排 水 沟 内埋 设 1根 管 径 1 5 0 mm 的塑料盲 沟管 ，与渠基 换填砂 砾石层 相连 进行 排水 。 ( 2 )地 下水埋 深较 浅及 有 地 下 水 出露 的渠 段 ， 在渠底 中部并排埋设 3根 2 0 0 mm 的塑料盲沟管， 沿渠向约 3 0 0 m设横向排水，渠底中部盲沟管与横 向排水 沟 内埋设 的塑料盲沟 管相连 进行排水 。 ( 3 )当渠底 以下 透水层 的埋深小于 5 m，在渠底 设垂直排水与透水层相通 ，垂直排水内采用砂砾石进 行填筑。横向塑料盲沟长度约 2 0 0 m，管沟断面开挖 尺寸 ：底宽 0 5 m、边坡 1： 0 5 、平均 沟深 3 m。 工程 于 2 0 0 9年 投 入 运 行 ，未 发 生 冻 胀 破 坏 。 运行情 况 良好 。 4防冻胀 工程施工技术要求 混凝 土 防渗 渠道 防冻 胀处 理除 了要针对 渠基土 的冻 胀特性 和地 下水埋深 情况 ，提 出经济合 理的综 合处理措施外，还应严格控制工程施工质量 ，以保 证处理措施达到预期的效果。 ( 1 )严格 控制渠 道防 渗工程 的施工质 量 ，防止 由于 防渗体漏水 ，造 成的渠基 土含 水量增 大造成 的 冻 胀破 坏 。对 塑膜 防 渗层 ，应 做 好 膜料 的接 缝 处 理 ，对施 工 中造 成膜料 的局部 针刺破 坏 ，必 须粘补 密实 ；应严格按照设计要求，做好伸缩变形缝中填 缝材料 的施工质量 ，确保填缝止水材料与混凝土粘 结密实 。 ( 2 )渠道 非冻胀换 填料 的施 工 中，应 严格控 制 砂卵砾 石 、中粗砂 中的含泥 量 ，确保换填 料级配 良 好和具有较大的渗透性，保证换填料的压实厚度和 压 实密度 ；隔热保温材 料要 达到设计 要求 的各项技 术指标 ，防止由于采用不符合设计要求的材料 ，而 造成渠道冻胀破坏现象的发生 。 ( 3 )渠道排水系统的施工中，( 下转第 5 5页) 47 工程 实践 黎河输 水河道 治理措 施 与新 技术应 用 2 0 1 1年 第 3 期 质安 全构成 了威胁 。 为有效保护水环境，在不断加强依法管理的同 时 ，稳 步开展 环境改 善和生 态建设 。一方 面 ，充分 利用土地资源与当时村镇开展多种形式的防护林建 设 和堤埝 绿 化 工 作 。几 年 来 种 植 各 种 林 木 5万 多 株 ，已建 成 的 上 游 2 3 k m 堤 埝 绿 化 率 达 到 百 分 之 百。另一方面，结合农村 “ 文明生态村”建设 ，开 展生 态示范段 建 设 。 已建 成 的 炸糕 店 桥 下示 范 段 、 龙湾 桥 下 右 岸、马 各 庄 桥 下 左 岸 范 段 ，全 长 1 6 0 0 m，面积 近 4万 m ，从 试 验 结 果 看 ，人 们 的 环保意识得到加强，环境明显改善 ，提高黎河绿化 率 ，起到 了涵养水 源 、净 化水质 的作 用 ，综 合效果 显 著 。 黎河经 过 2 O多年 的治理 ，取 得 了明显 的效果 ， 但由于各方面的条件限制仍然存在着许多不容忽视 的 问题 ，亟待 解决 。在今后 的治理 工作 中必须 坚持 “ 工程 管 理 、资 源 管 理 、环 境 管 理 并 重 ” 的 原则 ， 从工程水利向环境水利转变 ，从传统水利向现代水 利 、可持续 发展 水利转 变 ，使 黎河 环境水 利建设 和 管理工作取得了长足进步，以现代的治水理念，科 学的治理措施 ，先进的管理手段 ，努力把黎河建成 为环境优美、生态 良好、文化丰富、气息浓厚的文 明输水工程 ，为天津经济社会发展提供 良好的水源 保 证 。 ( 上接第 2 2页)检测结果的真实性、有效性和及时 性 负责 。监理单位 在现场 配备试 验工程 师及 必要 的 试 验检测设 备 ，对 于现场 质量控 制 的简 单试验 检测 项 目，如土 方 回填压 实度 ，砂石 含水量 、温度 ，混 凝土温度、坍落度等，监理单位 自行进行检测 ，其 费用含在 监理报 价 中。 3 思 考 开展项 目法人 质量检 测和 为监理平行 检测 指定 试验 室 ，在 一定程 度上加强 了工 程建设现 场 的质量 检测工作 ，规范了施工单位和监理单位的质量检测 行为 ，提高了质量检测的专业水平 ，为加强工程质 量也起 到 了很好 的作用 。 但在实施的过程中，还存在着一些问题亟待解 决 ，譬如 检测 的时效性 ，当检测 出问题 材料 时 ，其 取样 的那 部 分 材料 可 能 已经 用 在 工 程 上 了；再 比 如 ，如 何将项 目法人 质量检测 的结果 与 工程 的质 量 评 定挂起 钩? 除 了对 问题 部 位 进行 必要 的 无 损 检 测 ，以确认工程实体强度或质量能否满足设计要求 外 ，在制度 建设方 面还应 该多做 研究 。 开展项 目法人 质量检测 和 为监理 平行检测 指定 试验 室的做法 ，均是 施工单 位对 工程 的原材料 及 中 问产品等进行质量检测的有效补充，是一种抽查， 只能起 到警示 和督促 的作用 。工程施 工 质量好 与不 好 ，归根 结底还是 施工 单位说 了算 ，简言 之 ，工程 是 干出来 的 ，不是 管 出来 的 ，施 工质 量如何 ，施工 单位心里最清楚 ，如果施工单位人人都讲诚信，都 把工程质量当作 自己的立身之本 ，那么监理单位和 项 目法人单位以至于质量监督单位开展的质量检测 完全可以取消 ，这样 ，工程建设成本也可进一步降 低 ，因此 ，认真做好施工单位的质量检测更是保障 工程 质量 的根本 。 (上接第 4 7页 )要 作 好 纵 、横 向排 水 系 统 的反 滤 层的施工 ，防止排水体各级配料相互混杂，造成排 水系统堵塞 ，使渠基土含水量增加引起的冻胀破 坏 ，以及 由此引起的渠基土产生的管涌、流土破 坏 ，危害工程运行安全。 参考文 献 1 渠道防渗工程技术规范 ( S L 1 8 2 0 0 4 ) 2 渠 系工程抗冻胀设计规范 ( S L 2 3 2 0 0 6 ) 3 马勇 ，王秀东 ，雷 正龙 新 疆金 沟河灌 区总于渠渠 道 改建防冻胀设计水利建设 与管理 ，2 0 0 9年 ，第 l 期 E 4 3王立军 混凝土渠 道抗冻胀 设计及 防冰 害措 施在西北 地 区节水工程 中的应用 水利 规划 与设计 ，2 0 0 9年 ， 第 6 期 5 杨征宇 农一 师沙井 子灌 区混凝土衬 砌渠道 防冻胀设 计 的探讨塔 里木 大学学报 ， 2 0 0 5 年 ，第 1 期 5 5