混凝土衬砌渠道冻胀破坏原因分析及防治

2010-08-15万里阳河南省水利第一工程局

河南水利与南水北调 2010年2期

□万里阳（河南省水利第一工程局）

一、前言

河南省属亚热带与暖温带的过渡气候，四季分明，雨量充沛。省内无论是大型渠道还是中、小型渠道，都会不同程度地受到冻胀的危害，这也是寒冷季节渠道建设中普遍存在的问题。冻胀破坏对渠道的危害极大，防冻胀处理方法的选择也非常重要，它关系到渠道的造价、施工的难易程度、工程的安全运行以及工程使用寿命等各个方面，因此，进一步研究渠道冻胀破坏的机理，采取有效的材料和施工技术措施预防冻胀破坏，对于保证防渗渠道的正常运行及减少维修养护费用等意义重大。

二、冻胀破坏原因分析

在渠道基土中含有大量的土壤水，这些土壤水主要为土粒子间填充的自由水和吸附在粒子周围的结合水，自由水的多少与粒子间空隙的大小有关，结合水的多少与土粒子总的表面积有关。对于衬砌混凝土板基土来说，多为夯实土，粒子间隙小，故基土中所含水量主要为结合水。而结合水的多少又与基土的性质有关，即颗粒的比表面积越大，粒子所吸附的水分也越多，即基土的含水量就越大。这样，当长时间为负温时，基土中水分就会结冰，根据水在结冰时体积增大的性质，基土的体积也将增大，这将对其上的混凝土面板产生向上的推力，即为冻胀力。如果该力大于混凝土板本身的重力，就将引起混凝土面板在该力方向上的位移，即发生冻胀破坏。

衬砌渠道冻胀破坏的根本原因是渠床基土的冻胀变形。造成渠床基土冻胀变形的主要原因有3个：持续负温、冻胀性土壤及埋深较浅的地下水。产生基土冻胀变形的3个因素相互联系，缺一不可。在以上的3个条件中，土壤中自由水和毛细水的存在是冻胀发生的先决条件，也是必备条件。在整个冻胀破坏过程中，水是最活跃的因素。

三、冻胀破坏防治措施

从上述分析可知，只有导致土体冻胀的3个基本因素同时具备，才可能发生冻胀破坏，只要消除其中的一个因素，就可能防止和减轻冻胀危害。在这里只简单介绍基土换填法、增设保温隔热层法和置换砂砾垫层法3种削减冻胀的方法。

（一）基土换填法

对渠基土进行换填是一种防冻胀的处理形式，它既改变了渠基土的结构，又具有一定的保温作用。其优点是：当渠道附近有大量换填材料时，造价可能便宜；由于对渠基进行了彻底换填，当质量达到要求时，可保证渠道永久不受冻胀危害。其缺点是：由于换填厚度大，土方工程量较大，当换填材料运距较远时，造价较高；施工难度大，要求回填土含水量＜5%的料，若不能严格把关，还会含有冻胀土；若采用人工加工料，则不经济。

（二）增设保温隔热层法

保温材料选用聚苯乙烯泡沫板，这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，同时它还具有一定的可压缩性，可以消减对混凝土砌体的冻胀力，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。聚苯板的厚度根据实际冻土深度选定，一般为10：1，即冻土深度10cm选1cm厚度板。工程中渠道为东西走向的，选定阳坡保温板厚度为2cm，阴坡保温板厚度为4cm；渠道为南北走向的，选定渠坡保温板厚度为3cm；渠床为西南东北走向的，选定阳坡保温板厚度为2cm，阴坡保温板厚度为3cm。采用保温板保温，不仅省去了对基土的扰动，方便了施工，在一定条件下降低了造价，减少了使用的施工机械，通过保温，在很大程度上控制了基土的冻胀问题。

（三）置换砂砾垫层法

对于小冻胀渠段，由于采用了降排水措施，渠道阳坡、阴坡冻胀量均已小于允许法向位移值，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，采用换砂法，换填15～25cm的砾石垫层。不但防止了下层水分向表层冻结区迁移，而且增强了渠基的排水性能，更有利于排出冻融层的重力水和侧渗水，因此对基土的冻胀起到了关键的作用。