寒区混凝土渠道设计与施工要点.pdf

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 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。 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 部位相对 固定 ， 大多发生在水位变幅区， 同时研究发现有 一 定水深 的渠道冻融破坏影响程度及范围远 比渠道无水 或在低水位下运行的渠道要好得多，主要原因是冬季渠 道内的水可以起到保护混凝土表面的作用，特别是大断 面的渠道效果更 明显。现将寒冷地 区混凝土渠道的设计 要点归纳如下 ： a 根据冻融循环次数 、构件重要性和检修条件等确 定混凝土抗冻级别 。 b 尽可能做到使渠道在同一水位条件下运行 ，季节 性渠道和一般性渠道考虑修建节制水闸来实现渠道设计 的运行水位 ， 控制或减少冻融破坏范围。 c 在混凝 土配 比中选用优质高效 的引气 剂和减水 剂、 掺入硅粉或优质粉煤灰等活性矿物掺合料 ， 以改善混 凝土的和易性， 降低水灰比， 提高混凝土的抗冻耐久性及 抗渗性 ， 减少水泥用量， 降低工程建设成本。 d 在水位变幅区及冻土深度范围内增设温度钢筋 ， 以抵御外部冻土压力对渠道混凝土结构的推力。 e 混凝 土结构周围进行排水设计 ，增设垫层及排水 管， 减少冻胀力对渠道的影响。 f - 设置变形缝 ， 以适应和削减刚性渠道的冻胀变形 。 设计要紧密结合现场施工条件 ，避免出现 因施工 难度大无法达到设计要求的情况。 4 寒冷地区混凝土渠道施工 寒冷地区混凝 土渠道的施工中，必须注重每一个环 节 ， 精 心设计、精心施工是建设高质量混凝土渠道的前 提 ， 这样不但可以减少工程的运行维护费用 ， 还可 以延长 工程使用年限， 充分发挥其应有的效益。 现根据实践经验 将混凝土渠道施工要点 阐述如下 ： a 根据设计要求 的混凝土抗冻级别及 拟采取 的施 工材料 和# l- n 剂 、 掺合料 的不 同， 选取 三个 配合 比进行 试配设计 ， 通过抗冻试验结果 ， 最后确定 出满足抗冻设 计要求且节 约成本的一个最佳配合 比作 为施 工用混凝 土配合 比。 b 水泥应优先选用 P 0 4 2 5 水泥 ； 外加剂应优先选用 引气减水剂 ； 粉煤灰应优先选用 级 以上粉煤灰 ， 掺量最 好在 2 0 左右 ； 硅粉应选用 S i O ： 含量高且细度细的， 掺量 不大于 1 5 。 c 粗骨料要选用低吸水率、 低渗透性、 ( 下转第2 4页) 赵新泽 自进式锚杆棚 架法在 隧洞塌方体 中的运用 空锚杆 中间的空孔用水泥浆填满 ，增强 自进式锚杆 的刚 度 ， 加大对塌方体 的棚护能力 ， 在灌浆过程 中， 若有冒浆 、 漏浆 ， 应根据具体情况采 用嵌缝 、 表面封堵 、 低压 、 浓浆 、 限流 、 限量 、 间歇 、 待凝等 方法进行处理 。 以达到设计压力、 不吸浆为灌浆结束标准。 d 开挖支护 。水泥浆液凝固后 ， 对掌子面进行开挖 ， 开挖采用 wZ l 6 0 型扒碴机 ， 出碴采用 2 t 农用车， 以 2 3 7 k w 隧道通风机通风。 塌方段开挖采用上下半洞分层开挖的方法 ，每循环 进尺控制在 3 0 c m， 钢支撑间距相应加密为 3 0 c m， 上半洞 开挖时架立上半拱 ，每边拱脚打设 6 根 + 2 5 、 L = 2 m锁脚 锚杆 ，钢支撑之间焊接 + 2 5 连接筋 、挂 4 , 6 5 1 5 0 m m x 1 5 0 m m钢筋网 ， 喷 1 5 c m厚 C 2 0 混凝土。 下半洞开挖循 环进尺控制在 3 0 e m， 钢支撑间距相应 加密为 3 0 e m。下半洞开挖采用左右两侧分半 开挖的方 法 ， 防止上半洞变形。 下半洞开挖后及时将上半洞的钢支 撑延长至隧洞底板 ， 并在两边底脚各打设 6 根 4, 2 5 、 = 2 m 锁 脚 锚 杆 ， 钢 支 撑 之 间 焊 接 4, 2 5连 接 筋 、 挂 4 , 6 5 1 5 0 m m x l 5 O m m钢筋 网， 喷 1 5 c m厚 C 2 0 混凝土。 支护完成后 ，加强监测 ，发现喷混凝土层有开裂现 象 ， 及时在钢支撑之间补架 明拱 ， 加强支护。如有地下水 出露 ， 在隧洞顶拱 1 2 0 o 范 围内打设排水孔 ， 孔深 3 m， 每排 3 根 ， 排距 3 m， 孔 内安插 4 , 5 0钢管( 见图 2 ) 。 3 2 2 4 安全环保措施 a 无论是钻头 ， 还是连接套、 纤尾套 、 注浆接头， 都应 使用润滑剂。 自 行加工的纤尾套一定要注意其刚度和强 度 ，否则容易发生脆断。要经常检查各种风管路是否完 好 ， 尤其是高压软管 ， 一旦破裂， 容易发生伤害事故 。 图 2 泥状流变围岩隧洞塌方段上下半洞开挖示意图 注意各种机械 的启动和开 、关风顺序 ，建议专机专 人 ， 尽量找操作熟练 的人员操作机械设备 ， 以免造成不必 要的机械和人身伤害事故。 b 钻孔和注浆时由于尘土太大 ，所有施工人员都必 须戴专用防尘 口罩 ； 钻孔和注浆时 ， 一定注意不要污染周 围， 切不可将剩余水泥浆任意倾倒 ， 以免造成环境 污染 。 作业面要定期进行洒水 ， 降低 空气中粉尘含量 ， 当使用手 持气腿式风钻施工时 尽量采用湿钻 ， 而不采用干钻。 4 体会 对于此处塌方段， 曾试用过注浆法。由于隧洞塌方体 已泥化呈浆状 ， 无裂 隙 ， 浆液注入后无法扩散 ， 形成一个 个水泥团 ， 并且水 的注入使隧洞顶拱塌方体泥化 、 流变现 象更加恶化 ， 效果不理想 。 还试用过超前管棚法 。 塌方体 泥浆析水后阻力大 ， 管棚打进 比较困难 ， 并且对于浆状糊 体只有密排管棚才起作用 ， 打进角度控制比较困难 ， 很难 保证打进管棚在一个平 面上。此外 ， 也试用过插板法 ， 效 果也不理想 。在上述几种方法失败 的情况下 ， 采用“ 自进 式锚杆棚架法” 顺利通过 了隧洞塌方段 。 在 以后类似地段 的施工 中， 直接采用此方法 ， 减少了隧洞施工塌方 ， 保 障 了施工人员及设备的安全。 业 夸 夸 j j ji 业j- 业业 j jl 夸 坐j； 业 I j 业 j j 业j； 夸 j j 窜 窜 业 譬 j ； 拿 夸； ( 上接第 3 1 页) 高抗冻性优质骨料 。严禁使用含有高吸水 率弱质颗粒 ， 2 0 4 0 m m粒径骨料和砂 中的含泥量必须控 制在小于 1 的范围内。 d 在混凝 土人仓浇筑前应对模板进行几何尺寸、 标 高、 固模牢靠程度的检查 ， 板缝应密封良好， 保证不漏浆， 固模支撑要满足混凝 土侧压 力和施工荷载作用安全要 求 ， 同时在模板上涂刷脱模剂 ， 以使新浇筑混凝土有光洁 的表面。 e 施工时严格按照设计配合比执行 ，混凝 土拌和时 间应保持在 9 0 1 2 0 s 以上 ， 以保证拌和质量。 f 在混凝土浇筑过程 中加强混凝土振捣 ，避免出现 漏振 、 欠振和过振。 g 浇筑后加强混凝 土早期湿润养护 ，避免出现失水 过快 ， 影响混凝土的层间结合及混凝土表面出现裂缝。 h 加强施工缝 、 变形缝 的处理。 参考文献 1 水利水电科学研究院结构材料研究所 大体积混凝 土北京： 水利电力出版社， 1 9 9 0： 1 8 7 1 8 8 2 S L 2 3 -2 0 0 6渠系工程抗冻胀设计规范 北京 ： 中国 水利水 电出版社。 2 0 0 6