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灌区混凝土防渗渠道冻害成因及预防措施张广周 1 4 5 【 冻 害 防治 】 灌 区混凝土防渗 渠道冻害成 因及预 防措施 张 广 周 ( 菏泽市牡丹区刘庄引黄灌区管理处， 山东 菏泽 2 7 4 0 0 0 ) 摘要 混凝土防渗是目 前灌区续建配套与节水改造中广泛采用的一种渠道防渗技术措施， 由于 受冬季低温季节的影响存在冻融、 冻胀破坏现象， 给施工、 管理和运行带来了诸多麻烦， 文章从分析混 凝土防渗渠道冻害成因入手， 提 出了防治冻害的措施。 关键词 混凝土； 防渗渠道； 破坏形式； 成因分析； 防治措施 中图分类号 ： T V 3 3 1 文章标识码： B 文章编号： 1 0 0 9 0 0 8 8 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 1 4 5 0 2 在灌区进行续建配套 与节水改造 工程建设 中， 常 采用混凝土预制块或现场浇筑混凝土板对 渠道进行衬 砌防渗 ， 混凝土板是厚度较薄的刚性材料 ， 具有较高的 抗压强度 ， 而抗拉强度较低 ， 适应拉伸变形或不均匀变 形的能力较差 ， 冬季衬砌渠道有时会 出现混凝土的冻 融、 冻胀现象， 使衬砌混凝土的表面剥落、 混凝土板断 裂 、 塌陷、 隆起或架空 ， 严重影响衬砌渠道 的防渗效果。 1 混凝土防渗渠道的冻害现象 1 1 表面剥蚀 混凝土板表面疏松 ， 出现冻酥现象 ， 表面混凝土强 度低 ， 糙率大。表面剥蚀多集中在渠底 、 水位变化 区及 影响区。 1 2 鼓胀 、 裂缝 在冬季温度较低 的情况下 ， 混凝土板发生鼓胀、 裂 缝破坏。鼓胀、 裂缝多 出现在尺寸较大的现浇混凝土 顺水流方向， 裂缝位置一般出现在坡脚 1 4 3 4 坡长 范围内和渠底中部 ， 冬季渠内存水时 ， 一般出现在水面 附近的渠坡上。 I 3 隆起、 架空 在地下水位较高的渠段， 渠基土冻胀量大， 渠道顶 部冻胀量小 ， 造成混凝土衬砌板大幅度隆起 、 架空 ， 其 一 般出现在坡脚或水 面以上 0 51 5 m坡长和渠底 中部， 有时也顺坡而上形成数个台阶状。 1 4滑塌 渠道滑塌有两种形式： 由于冻胀、 架空， 使得坡 脚承受到破坏， 衬砌混凝土板将失去稳定平衡， 上部板 块向下滑移、 错位、 互相穿插。渠道护坡基土融化期 的大面积滑坡 ， 导致坡脚混凝土板被推开 ， 上部衬砌板 塌落下滑。 1 5 整体上抬 在支级 以下的小型渠道 ， 基土 的冻胀不均匀性较 小 ， 整体性较好的渠槽如 u型渠槽 ， 可能 发生整体上 抬。 2 混凝土 防渗渠道的冻 害破坏原 因分析 混凝土防渗渠道冻害现象分为两种情况 ， 一种是 冻融破坏 ， 另一种是冻胀破坏 。冻融破坏是温度降到 零度以下和升至零度以上而产生冻结和融化的一种物 理现象 ， 是混凝土本身破坏 ， 如表 面剥蚀 ， 而冻胀 破坏 是混凝土基层土受冻膨胀 ， 造成混凝 土的损坏 ， 如鼓 胀 、 裂缝 、 隆起、 架空 、 滑塌及整体上抬。 2 1 冻融破坏原因分析 混凝土的冻融破坏 ， 是 由混凝土 内水 泥石 中毛细 孔的静水压和渗透压引起的。静水压产生于混凝土毛 细孔隙中水分结冰时的膨胀 受阻， 孑 L 内含水量超过极 限值或结冰初期毛细孔 口封冻 ， 内部水分继续结 冰时 受到孔壁的约束不能自由膨胀， 如果继续失热， 一部分 水结成冰， 另一部分成为过冷态， 水冰两相共存于毛细 孔中。毛细孔中的水分稍有过冷便产生很大的静水压 力 ， 随着低温的持续 ， 混凝土 内部结冰的微 区逐 渐增 多， 出现静水压的区域也将越来越多， 这个静水压作用 于毛细孔壁， 使水泥石处于受拉状态。混凝土反复冻 融循环相当于对水泥石孔壁进行反复加荷， 超过混凝 土的极限抵抗力， 结果使孔壁结构受到损伤。渗透压 是 由水与冰之间的自由能之差引起的 ， 混凝土在 冻结 1 4 6 内 蒙 古 水 利 2 0 1 1 年第 1期( 总第 1 3 1 期) 时， 由于毛细孔附加压力或传热不均匀等原因 ， 大孔或 靠近混凝土表面的孔 中的水总是先结冰 ， , b T L 或远离 混凝土表面的孑 L 中的水则后结冰。在 同温度下 ， 过冷 水的蒸汽压高于冰 的蒸汽压 ， 如果水 的温度高于冰的 温度 ， 这个压差将会更 大一些 ， 在这个压差的作 用下 ， 附近尚未结冰的水分会 向已结冰的区域迁移 ， 并在该 冻结区转变成冰 ， 推动液体流 动的压力就是渗 透压。 渗透压产生的前提必须有冰水蒸汽压差 的存在 ， 未冻 结水向冻结区域迁移时对微孔产生 径向挤压 ， 同样使 水泥石处于受拉状态 ， 因此冻融破坏受静水压和渗透 压 的影 响 。 混凝土衬砌板遭到干 、 湿 、 冷 、 热交替的破坏作用 ， 经历时间长会发生表层剥落 、 结构疏松等破坏现象 ， 处 于饱和状态的混凝土受 冻时， 其毛细孔壁 同时承受静 水压力和渗透压力 的作 用 ， 当两种压力超过混凝 土的 抗拉压力强度时 ， 就会裂开。 2 2 冻胀破坏原因分析 土壤中水分为结合 水和 自由水 结合水分为强结 合水 与弱结合水 ， 自由水分为重力水和毛细水 ， 强结合 水在 一 7 8 C不冻结 ， 弱结合 水的外层在 一0 5 时冻 结 ， 越靠近土粒表面其冰点越低 ， 弱结合水要在 一2 0 一 3 0 时才全部冻结 ， 重力水在 O C时冻结 ， 毛细水的 冰点稍低 于 O C， 在冬季 负温 下 ， 参 与冻 结的是重 力 水 、 毛细水和部分弱结合水 。 混凝土防渗渠道 的冻胀破坏 ， 主要是 由混凝土下 土壤的冻胀 引起 的， 水 的密度是 1 t_ m ， 冰 的密度 为 0 9 2 t m ， 当土中水结冰时， 体积要膨胀 9 ， 表层土 冻结时 ， 周围未冻结区的水分 向表层冻结区迁移集聚， 使冻结区土层中的水分增加 ， 冻结的水分逐渐增多， 土 体积也随之发生膨胀隆起。 3 预 防措 施 3 1 冻融破坏的预防措施 ( 1 ) 在规划设计 阶段 ， 根据工 程所在地 的 自然地 理条件 ， 注意渠道 的走 向， 合理选定混凝土的强度 、 抗 冻、 抗渗等级， 考虑施工因素的影响， 可适当提高混凝 土的抗冻等级或选用抗冻性能高的新型材料。 ( 2 ) 选择合格的建筑材料， 水泥采用普通硅酸盐 水泥、 硅酸盐水泥， 不使用复合水泥。 ( 3 ) 根据实验确定混凝土配合 比， 掺加引气剂 ， 阻 断混凝土毛细孔。 ( 4 ) 施工时， 选择合适 的施工工艺 ， 严格控制混凝 土拌和物的质量和浇筑工序 ， 加强混凝土的振捣 ， 避免 骨料分离、 砂浆集中。 ( 5 ) 加强低温季节施 工时的混凝土表面保温 ， 制 定切实可靠防冻方案 ， 防止早期冻融现象的发生。 ( 6 ) 低温季节 ， 混凝土未达到设计标准前 ， 及时清 除混凝土表面的积水、 积冰和积雪 ， 避免混凝土过早受 地下水的影响。 ( 7 ) 避免提前通水， 低温季节运行时， 尽量保持水 位稳定 ， 渠道的个别冻融损坏之处应及时修补 ， 以免造 成更大面积的损坏 。 3 2冻胀破坏的预防措施 ( 1 ) 工程规划设计选线 时尽量避开膨胀性大的不 良土壤地段及地下水位高的地段。 ( 2 ) 合理选取渠道断面型式 ， 在小型渠道上 ， 采用 U型断面， 在大型 的渠道混凝土表 面布置钢筋或钢丝 网片， 以提高抵抗冻胀破坏的能力。 ( 3 ) 合 理确定 衬砌混凝 土板伸缩 缝 的间距及 宽 度 ， 填缝材料要选取粘结力强 、 变形能力大、 耐老化 、 高 温季节不流淌 ， 低温季节不失强度的止水材料。 ( 4 ) 保证渠道防渗结构体 的完 整性 ， 加大 混凝 土 衬砌板厚度 ， 增强衬砌体抗冻胀能力 ， 或者选用抗冻胀 变形大的衬砌材料。 ( 5 ) 根据气候条件设计 足够 的基土保温层 ， 严格 控制基土保温层的施工， 用砂砾石置换冻胀性强的渠 床土壤， 换填砂砾料及成品保温材料要满足设计要求 。 ( 6 ) 提高填方渠道的压实指标 ， 严格控制回填土 含水量 ， 确保回填土压实质量 ， 减少土体冻胀量 ， 尽量 避免雨季和低温季节回填施工。 ( 7 ) 设计 可靠的排水设施 ， 重视排水设施 的施 工 工序 ， 保障排水设施通畅。 ( 8 ) 混凝土衬砌施工要避开雨季 ， 施工过程 中， 要 避免雨水 、 养护用水 ， 施工用水从衬砌体 端头渗 入基 土 。 ( 9 ) 低温季节运行时避免放空渠道或水位频繁变 化； 对于冻胀引起的破坏， 要妥善修补， 防止冻胀破坏 的进一步加剧。 ( 编校： 郭宝丽) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 一 O 1 2 4 作者简介： 张广周( 1 9 6 8一) ， 男， 工程师， 从事农田水利工 程管理工作 。