改性PP纤维混凝土在冻土区渠道衬砌工程中的应用.pdf

工程施工 东北水利水电 2 0 1 1 年第2 期 【 文章编号] 1 o o 2 —0 6 2 4 ( 2 0 1 1 ) 0 2 — 0 0 2 0 —0 2 改性P P纤维混凝土在冻土区渠道衬砌工程中的应用 张晓辉 1 ， 金 舒 云 2 ， 朴正华 3 ( 1 ． 吉林省水利科学研究院 ， 吉林 长春 1 3 0 0 2 2 ； 2 ． 吉林市龙潭 区江蜜蜂水利所 ， 吉林 吉林市 1 3 2 0 1 1 ； 3 ． 吉林省永吉县水利局， 吉林 永吉 1 3 2 2 0 0 ) [ 摘 要】影响渠道冻胀的主要 因素是冻深和冻胀量。对衬砌渠道而言。 设计人员应根据渠道的 地质与地形条件。 提 出具体的抗冻胀措施 ， 而不是单一的应用 P P纤维混凝土就能解决渠道冻 胀破 坏 问题 。 【 关键词]改性 P P纤维混凝土； 渠道护砌 ； 防渗； 冻胀 [ 中图分类号] T V 6 9 8 ． 2 * 6 【 文献标识码】 B 吉林 省在水利 工程 中采 用改性 P P纤 维混凝 土技术已有 1 O年 的历史 ， 目前在 灌区渠道防渗护 砌中 ， 已得到广泛应用。在混凝土中掺入适量的改 性 P P纤维 ， 确 实可改善混凝土 的韧性 、 耐久性等 指标 ， 但在混凝土衬砌结构与厚度相同的条件 下 ， 改性 P P纤维混凝土与普通混凝土相比 ， 并不能改 善衬砌渠道的抗冻胀性能 。因此 ， 在一些渠道护砌 工程 中， 使用 P P纤维混凝土并未取得预期 的抗冻 胀效果， 甚至还有失败的实例。事实上， 影响渠道 冻胀 的主要因素是冻深和冻胀量 ，就衬砌 渠道 而 言 ， 设计人 员应根据渠道 的地质与地形条件 ， 充分 分析渠道冻胀破坏原 因， 提 出具体 的抗冻涨措施。 因此，季节挡冻土区的衬砌渠道应选择适宜的渠 道断面型式、 衬砌材料和结构， 而不是单一的应用 P P纤维混凝土就能解决渠道的冻胀破坏问题。 1 渠道 冻胀破坏 的机理 渠道冻胀是由渠道边坡土体的水分、土质及 外部气温等综合 因素决定的。水分 、 气温 、 土质是 渠道产生冻害的三个基本因素。 低温条件下， 土体冻结时的含水量和外来水补 给条件是影响冻胀力的决定 因素。经验证 明， 如果 2 0 土体 中不含水分 ， 即使是低温下的强冻胀性土壤也 不会产生冻胀。渠道冻胀 发生的过程是土体 随温 度的不断变化 ， 由表层到内部 ， 由浅入深的过程。 在冰结条件下 ，首先在衬砌体和 土层间的空 隙中产生冰晶体 ， 在毛细力作用下， 土体中的水分 向上迁移 ， 遇冰晶体使冰晶体越来越 大。温度继续 降低 ， 在渠基 土中也产生 了冰晶体 ， 同样在毛细力 的作用下， 更深部位土体中的水分向上部迁移， 并 在上部土体中的冰晶体逐渐增大，使土体进一步 膨胀 ， 并形成冻土层 ， 使土体体积膨胀 ， 表 面隆起。 随气温的不断降低 ， 冻土层 的深度逐渐 加大 ， 导致 冰冻而产生的冻胀 力顶裂或顶起衬砌板而发生冻 胀破坏【 l 】 o 2 渠道破坏的原 因分析 从吉林省各灌区 1 0 年的运行效果看， 改性 P P 纤维混凝土在填方渠道防渗衬砌工程中总体上获 得了较好效果， 但在土壤持水性较强的挖方渠道， 特 别是粉质黏土挖方渠道 中， 应 用效果则较差。如 在梅河口市的海龙灌区， 采用P P纤维混凝土衬砌 的挖方渠道 ，很多部位都出现了明显的冻胀破坏 现象。 如预制安装的混凝土板块脱落， 现浇混凝土 2 0 1 1 年第 2 东北水利水电 工程施工 板块在水位上方一定高度开裂等。表 明在这种应 用条件下， 改性 P P纤维混凝土护砌渠道并未达到 抗冻效果【 2 l 。 导致渠道冻胀破坏的决定因素是冻胀量。根 据 S L 2 3 — 2 0 0 6 ( 渠系工程抗冻涨设计规范> 的规定， 对于梯形断面的混凝土衬砌渠道 ，渠道衬砌结构 的允许法向位移值为 0 ． 5 ～ 1 ． 0 c m。规范的这一规 定表明，当渠道边坡或渠底的冻胀量超过 O ． 5 c m 或 1 ．0 c m时，梯形断面的混凝土衬砌渠道则可能 发 生冻胀破坏 。 冻胀量的主要影响因素是冻深。S L 2 3 - 2 0 0 6 < 渠系工程抗冻涨设计规范) 对于冻胀量与设计冻 深 ， 也给 出了理论与经验计算公式。 ： Z 【 1 J 式 中 ： z =厂一 工 程 地 点 的 天 然设 计 冻 深 ， c m； z ^ 一 历年最 大冻深 ， c m； d _ 一 考虑 日照及遮 阴 程度的修 整系数 ； 地 下水影响系数。 其 中： I = +( 1 一 ) ‘ ( 2 ) 式 中： 广一 典型断面某部位的 日照及遮 阴程度修 正系数 ； 0 广一 系数 ， 根据工程所在的气候 区、 渠道 断面的轴线走 向、断面形状及计算点的位置查得 确定。 —Z ： ( 3) l + ／ ~ e 埘 ‘ 式中： ——计算点的冻前地下水水位深度 ， m； z _ 一 临 近 气 象 台 站 的 冻 前 地 下 水 埋 深 ， m； 系数 ， 与土壤的性 质有关。 渠道衬砌结构及板式 护面结构的冻胀量 的计 算式为 ： ： L, d ( 4) 式中： JIl ， ——衬砌渠道的冻胀量， c m； ， l ——工程地 点天然冻土层的冻胀 量 ， c m； z f ——护砌渠道下部 设计冻深 ， c m； ——工程地 点的天然设计 冻深 ， cm0 对于衬砌厚度小于6 ≤0 ．5 m时。 Z 产 z d 一 0 ． 3 ．5 8 ~ 一1 ． 6 ( 5) 式中： ——混凝土板厚度 ： 板上冰层厚度 。 从公式( 1 ) 、 ( 2) 、 ( 3 ) 、 ( 4) 、 ( 5 ) 可 以看 出 ， 工程 设计冻深主要与历年最大冻深、 渠道的走向、 地下 水埋深有关，护砌渠道的冻胀量与天然冻土层的 冻胀量、渠道护砌后设计冻深与天然状态的设计 冻深的比值呈线性关系，与护砌厚度及护砌材料 的热阻也有关。 经特殊改性的 P P纤维掺入到混凝土中后， 可 提高混凝土的抗 冻融能力。但表 面护砌材 料抗 冻 融能 力的提 高 ，并不代表 着被保 护土体抗 冻能力 的提高。P P纤维混凝土与普通混凝土同为非保温 护砌材料， 热阻系数相同。 渠道冻胀发生在边坡土 体内， 与采用的护砌材料关系甚微。因此， 单纯采 用改性 P P纤维混凝土护砌 ， 并没有改变混凝土板 块后土体 的 自然条件及物理性 质 ，因此也就 不能 提高渠道 的抗胀能 力。 改性 P P纤维 能够减 少混凝 土产生 原生裂缝 的数量和长度 ， 能够提高水 工混凝土抗 冲击、 抗疲 劳能力，提高混凝土的抗渗、抗冻融等耐久性指 标。但这种混凝土并不是万能的 ， 对衬砌渠道不采 取保温防渗、 基土还填压密措施， 而单纯依靠 P P 纤维混凝土抵抗冻胀是没 有科学道理和根据的。 3 结语 单纯采 用 P P纤 维混凝土护 砌冻胀 型渠 道的 误区在于其忽略 了渠道冻胀破 坏 的基本机理 ， 因 此 ，该种护砌型式不能解决季节冻土区的渠道冻 胀问题。 对于季节挡冻土区的渠道衬砌 防护 ，还 缺少 经济可行的工程措施。目前， 大都采用传统的保温 防渗、 基土还填压密等常规措施 ， 上述护砌型式不 仅工程量大、 工序复杂 ， 而且工程造价还较高 。因 此 ，需要工程技术人员在研 究渠道 防护材料 的同 时 ， 结合护砌渠道的冻胀破坏机理 ， 研究经济适 用 的渠道衬砌防护新型式。 [ 参 考 文 献】 [ 1 ] 张茹．季节性冻土地区 衬砌渠道冻胀及防治措施[ J ] ． 山 西水利科技， 2 0 0 6 ( 5 ) ． [ 2 ] 李钟杰， 董建伟． 改性聚丙烯纤维混凝土在高冻胀地区 渠道护砌工程中应用的成败与思考[ I ] ． 东北水利水电， 2 0 1 0 ( 7 ) ． 【 收稿 日期】 2 0 1 0 —1 0 - 2 2 2 1