浅析渠道衬砌混凝土板的冻害及防治__墨水学术,论文发表,发表论文

所属栏目：化工论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:536

副标题#e#摘 要:建设高标准的混凝土衬砌渠道是提高输水利用率的重要手段,而在渠道衬砌工程中，渠道混凝土衬砌的冻害是一个较突出的问题。结合济平干渠工程渠道混凝土衬砌设计及施工的经验教训对渠道混凝土衬砌的冻害机理及防治措施作一初浅探讨。
关键词:渠道衬砌;混凝土；冻害;防治
建设高标准的混凝土衬砌渠道是提高输水利用率的重要手段,而在渠道衬砌工程中，渠道混凝土衬砌的冻害是一个较突出的问题。为了有效防止混凝土衬砌渠道砼板遭受冻胀破坏，我们需要了解砼板冻胀的影响因素，并采取有效的防治措施。
一 渠道土壤冻胀的影响因素
根据大量的室内外观测试验成果，渠道土壤冻胀破坏的主要原因为负气温、冻胀性土壤及高含水量。同时渠道的阴坡与阳坡、渠道的不同边界条件以及采用不同的衬砌结构形式其冻胀性也有很大不同。
1、不同土质的土壤其冻胀性各不相同,一般情况下冻胀性强弱依次为:粉质土>壤土>砂壤土>粘土。当土壤中含水量小于土壤起始冻胀含水量时,土壤就不会发生冻胀,土壤的起始冻胀含水量约与塑限相等。另外土壤中矿物成分决定土壤的离子交换能力,改变土壤中阳离子的组成情况,也可显著减轻冻胀程度。而Na+、K+ 减轻冻胀效果最强,因此在某些基础处理工程中采用NaCl和KCl进行土壤人工盐化处理以消除冻胀现象。
2、在土壤冻胀过程中,水份是十分重要的因素,正是在负温条件下土体内水份向冷锋面迁移,且在冻土中水变为冰晶,体积膨胀,从而造成土体体积膨胀和地表隆起。随着春季气温升高,冻土中冰晶熔化,水份向下部转移,地表随之而下沉,这样季节性冻土层一年年周而复始地处于季节性变化的不稳定状态。
3、根据大量实践,渠道阴坡冻胀远大于渠道阳坡的冻胀,渠底与渠坡中部、下部冻胀力大于渠道上部冻胀力。这是由于渠底、渠坡的边界条件不同,土壤内部的温度场与湿度以及水份蒸发情况不同,冻胀性也不同;另外,由于冻胀力和冰晶体的增长方向与热流方向一致,改变冻结方向就会改变水份转移方向以及冻胀方向。
 4、土壤结冰时水份迁移与冰晶凝析的过程是十分复杂的,而法向冻胀力的大小主要受以下因素的影响:冻土的特性(冻土的粒径、成分、均匀性、密实程度,土粒子对未冻水的吸附力,土粒子表面自由能级);冻土的冻结速率及过程线;外部水源的补给条件及冻前含水量;冻土层底部未冻土层的压缩性;冻土的各种边界条件以及外部荷载等等。
5、在实验室条件下,水变成冰而体积不可膨胀时所产生的冻胀压力很大。根据前苏联的试验资料,在-0.5℃时冻胀压力为62818kpa,在-22℃时冻胀压力为2072700kpa,而一般6～10cm厚的混凝土衬砌压力仅为1.41～2.35kpa,可见以衬砌本身的重量来抵消全部的冻胀力量是不行的,为了防治冻胀,必须因地制宜的采用适应冻胀变形、防水与排水措施、保温隔热的结构形式等综合措施进行防治。
二、南水北调东线济平干渠渠道衬砌工程设计施工中采用的防冻胀措施及经验
南水北调东线一期工程山东段济平干渠工程输水渠所在地区，冬季气温较低，负温持续时间较长。土壤组成多为粉粘粒含量高的冻涨性土壤，地下水位高，毛管作用强烈，因此输水渠在运行过程中极易出现冻涨现象。
1、南水北调东线济平干渠渠道衬砌工程设计中采用的防冻胀措施：
济平干渠工程衬砌设计共有七种方案，七种方案均采用了暗灌井排方案或暗灌自留内排放案以降低地下水扬压力和冻胀对衬砌砼板的破坏。
（1）换砂法
方案一采用了暗管井排方案，通过此项排水措施，阳坡、阴坡冻涨量均已小于允许法向位移植，排水措施已能防止冻胀破坏；而对于渠底部的冻胀问题，结合衬砌面板垫层的需要，对类黄土渠基，则同时结合对湿陷性黄土渠底的处理，采用换砂法。换填20cm厚砂砾石垫层。
方案七为衬砌高度内下部为岩石、上部为土层或释放段较短的#p#副标题#e#渠段，下部岩基采用砂砾石找平层平均厚10cm，上部土基采用换砂法保温，换填厚度25cm。
（2）保温法
除方案一和方案七外，其他方案均采用保温法防冻胀。
保温材料选用聚苯乙烯泡沫板，此种材料是一种优良的隔热保温材料，具有吸水性小，不透水、耐腐蚀和抗老化等优点。根据其他工程多年运行实践，表明聚苯乙烯保温板具有良好的防冻保温效果，在砼板下铺设一定厚度的保温板，可以有效地消除和消减冻胀；同时由于它具有一定的压缩性，可以消减对砼砌体的冻胀力。而且采用保温板保温，具有造价低、施工简单、施工质量易保证等特点。渠床为东～西走向的，阳坡保温板厚度为2cm，阴坡保温板厚度为4cm；渠床为南～北走向的，渠坡保温板厚度为3cm；渠床为西南～东北走向的，阳坡保温板厚度为2cm，阴坡保温板厚度为3cm；渠底保温板厚度均为3cm。
2南水北调东线济平干渠渠道衬砌工程施工中总结的防冻胀经验：
为减轻运行中渠道衬砌砼板所受到冻胀破坏，在施工中必须做到以下几点：
    （1）混凝土必须严格按照配合比拌和，保证混凝土强度,骨料含盐碱量不得超超标。
（2）垫层砂石料比例须遵循设计，严格控制材料质量，特别是严格控制材料中粉质土和壤土的含量。
（3）严格控制复合土工膜搭接处的焊接质量，不得有脱焊、漏焊现象。
（4）衬砌砼板间的伸缩缝应选用pt胶泥等韧性材料，防止冻胀力造成砼板脆性破坏。
三、渠道衬砌防治冻害的措施
根据渠道土壤冻胀的影响因素的分析和南水北调东线济平干渠衬砌工程设计和施工的经验,当进行渠道衬砌时,首先应沿渠道分段收集气温、土质及水份补给等影响渠道土壤冻胀的基本资料,据此判断渠道的冻胀性的强弱,因地制宜地采用防治冻胀的措施。
1、当地下水埋深大,渠道衬砌高于地下水作用区;渠道衬砌施工质量有保证,杜绝渠道本身渗漏水成为冻胀的补给水源且渠道无其它外部水源补给;渠道在冬季严寒季节不过水时冻土的冻胀只是由于土壤内部水份重分布引起时,若结合当地气温、土质考虑,判定为一般冻胀或弱冻胀,则可采用以下防治冻胀措施:
（1） 渠道衬砌形式可采用一般常见的衬砌形式,必要时可采用聚苯乙烯保温板等保温材料防冻胀。搞好渠道衬砌的关键就在于不断提高渠道衬砌的施工水平,采用先进的施工工艺以及训练有素的专业施工队伍进行施工。
（2） 混凝土衬砌除按一般要求设缝外,还应在渠道边坡中下部,渠底中部设柔性缝,以改善衬砌适应冻胀变形能力。
2、当渠道土壤存在外部水源补给或冬季过水,且结合当地气温、土质条件,判定将出现强冻胀时,则必须采用特殊防冻胀措施进行防治,例如在以下情况下:
（1）在寒冷地区,当地下水位接近渠底时(砂砾地基及盐化土壤除外),渠道中下部一般应按强冻胀区进行处理。
（2）当渠道沿线有小泉小水、承压地下水出露时,或有地面径流渗入渠坡时,均应设置纵向排水系统将水排除。当排水处理不够完善时,将引起强冻胀并危及衬砌的安全。
（3）当渠道冬季过水时(如给工业部门常年供水时),对渠道衬砌的破坏十分严重。由于冰盖及水层的保温作用,渠道土壤内部的温度场将发生相应变化,冻胀区将出现在冰盖表面附近。当渠道冰盖膨胀时,对衬砌作用2～3kg/cm2 冰压力,而当渠道泄空时,冰盖折断冰盖本身重量对衬砌有相当大的倾覆力矩作用足以使衬砌断裂,这些作用力与冻胀力联合作用使衬砌在冰面附近破坏相当严重。故一般情况应设法避免在严寒季节通水,冬灌时间应适当提前。
3、对于判定为强冻胀区,混凝土衬砌可用以下防治冻胀措施:
（1）对于小型渠道应设法回避,如改用地下渠涵,或筑槽使槽背与冻土脱离。
（2）采用浆砌石重力式挡土墙(包括干砌、砌块砌筑)以及浆砌石挡土墙与混凝土板复式结构,是具有抗强冻胀能力的结构形式。对于必须冬季通水而冬季#p#副标题#e#流量较小的渠道,也可采用渠道中下部浆砌石挡土墙与上部混凝土板复式结构。
（3）在有条件的地方采用足够厚度的排水材料换填法,对于防治强冻胀也是有效的。