衬砌渠道修复工程中的技术措施

郭建梅,汤党球

(1.黑龙江农垦勘测设计研究院,哈尔滨 150090;2.黑龙江农垦现代农业工程设计有限公司,哈尔滨 150090)

据对灌区预制混凝土板防渗干渠的破坏情况调查结果显示:阳坡基本无冻胀破坏问题,除个别因施工质量问题混凝土板而产生断裂酥松外,其他基本完好;渠底有轻微冻胀破坏问题,渠底基本平整,局部有冻胀隆起;阴坡冻胀破坏问题较严重,有较明显的冻胀隆起,局部段已影响到干渠运行稳定。

调查的灌区属寒冷地区,灌区渠基土又多为冻胀土,且地下水含盐量较高。所以在对渠道进行混凝土面板防渗设计中,如何有效避免渠道板的破坏问题,成了灌区节水改造是否成功的关键。本文将对因冻胀引起板破坏的类型、原因及修复工程技术措施进行分析介绍,以期对衬砌渠道防渗设计有所帮助。

1 渠道混凝土面板破坏的类型

通过对混凝土板防渗渠道破坏现象的分析来看,按其破坏状态大致可分为以下两种:一种是面板破裂,翘起、滑落、严重的渠道边坡塌陷,在此类破坏过程中,混凝土本身的强度、抗冻、抗渗等指标改变很小或没有发生改变,仅是面板的整体结构受到破坏,这种破坏称之为冻胀破坏;另一种情况是面板表面受到侵蚀,主要是混凝土与土壤水中的酸类、盐类等发生化学反应,然后慢慢向由外向内发展,最后板局部或整个板产生酥松,直到混凝土完全失去强度,这种称之为渠道混凝土面板的侵蚀破坏。两种破坏形式虽不相同,但最后都将导致渠道节水效果的严重下降。另外,随着渠道断面输水糙率不断变大,渠道的过水能力也会大大降低,严重的会导致整个渠道丧失输水功能。因此,在存在冻胀土的寒冷地区以及地下水对混凝土具有侵蚀性的地区,渠道防渗设计如果对以上问题考虑不足,势必会影响到整个工程效益的发挥,从而造成国家财产的损失。

2 渠道混凝土面板破坏的原因

渠道面板发生冻胀破坏的主要原因是渠基土发生冻胀,渠基土的冻胀与以下几个因素有关:①寒冷地区的气温是否长期低于 0℃;②基土中是否存在冻结的主体—水份;③基土的物理性质,主要包括土的颗粒组成等。以下针对这几个因素作以分析。

2.1 各因素间的相互关系

渠基土中含有土壤水,这些土壤水主要是由土壤粒子间填充的自由水和吸附在粒子周围的束缚水组成,自由水的多少与粒子间空隙的大小有关,束缚水的多少与土粒子的总表面积有关。针对渠道混凝土面板基土来说,因为其多为夯实土,粒子间隙小,所以其含水量的大小主要与粒子周围束缚水有关。而束缚水的多少又与基土的性质有关,即土质组成颗粒越细,其颗粒的比面积就越大(比面积为1g土体中所有土颗粒的表面积之和),粒子所吸附的水份也就是基土的含水量就越多。这样,当气温长时间处于 0℃以下时,基土中水份就会结冰,根据水在结冰时体积增大 0.09倍的性质,基土的体积也将增大,这将给其上的面板产生向上的推力,如果该力足够大,将引起混凝土面板在该力方向上的位移,或使板体本身发生破裂、翘起、滑落,严重的将导致渠道边坡塌陷。

2.2 冻胀基土中的水份迁移原理

因为在不同土颗粒表面吸附水之间存在着电位差,当气温长时间低于 0℃时,在该电位差和毛管水表面张力的共同作用下,土颗粒表层的活跃水分子将会顺着温度梯度方向,向土壤水冻结峰面迁移,如果基土水份有充足的补给源,基土冻结锋面将会产生更为严重的冻胀。因为常规冻胀量一般为原来体积的 10%～50%,而在水份迁移的情况下,冻结锋面上的冻胀量可达到原来体积的数倍。在重力作用下,冻土水分垂直迁移以及毛细管水上升高度都有一定的范围,该范围的大小与土质有关。

理论分析和工程实践证明,粒径＞0.1m m的基土,因其所含水份较少,在其结冰时产生的膨胀力较小,不足以对面板产生破坏;当基土粒径在0.1～0.05m m时,破坏较大,而当粒径在0.05～0.002m m时,基土冻胀破坏最强。按照土质的分类,黏土的冻胀破坏最强,其次是粉质土、亚黏土和亚砂土。

3 预制混凝土防渗层修复措施

预制混凝土防渗层的修复主要有以下几种情况:

3.1 现浇混凝土防渗层的裂缝修复

当混凝土防渗层发生裂缝后,如果防渗层仍大致平整,无较大错位,裂缝较小的情况,可以运用过氯乙烯胶液涂料黏贴玻璃丝布的方法,进行修复。而对于裂缝较大者,可采用填筑伸缩缝的方法修复。对于大型渠道裂缝又较大的,可采用填塞与黏贴相结合的方法修复。具体做法如下:

1)清除缝内、缝壁及缝口两边的泥土、杂物,保持清洁、干燥。

2)缝壁涂刷冷底子油。

3)将煤焦油填料或焦油塑料胶泥填入缝内,填压密实,保持表面平整光滑。

4)填好缝 1～2 d后,沿缝口两边涂刷5 c m宽的过氯乙烯涂料一层,随即沿缝口两边黏贴 3～4 c m宽玻璃丝布一层、再涂刷涂料一层、黏贴第二层玻璃丝布,最后涂刷一层涂料。在运用此方法中,要注意涂料要涂刷均匀,玻璃丝布要黏平,不能有气泡。

3.2 预制混凝土防渗层的修复

3.2.1 混凝土防渗层砌筑缝的修复

预制混凝土渠道包括板和U型槽,其砌筑多采用水泥砂浆缝。面板防渗渠道的砂浆填缝一般有以下缺点:①砂浆强度低;②施工挤压不实;③不能与混凝土板紧密结合,勾缝的砂浆容易脱落,有的从勾缝中长出了杂草,甚至有些小型填方渠道衬砌完后,试水时发生垮渠等破坏情况,能保持完好的工程基本很少。造成原因,除了其他因素外,笔者认为衬砌部分勾缝的漏水是主要的原因。为了保证工程质量,建议对混凝土预制板改用方形或长方形,块的大小应便于施工为宜,厚度 8～10 c m为好,板缝留 10～15 c m用高标号混凝土填充,人工机械均能施工,振捣出浆与混凝土板能紧密结合,使衬砌段形成整体,基本达到现浇的质量。旧渠防渗层砌筑缝的修复也可以先凿除缝内水泥砂浆块,将缝壁、缝口冲刷干净,用与混凝土板相同标号的水泥砂浆填塞,捣实抹平,保湿养护不得少于14 d。

3.2.2 混凝土防渗层表层的修复

混凝土防渗层表层损坏,如剥蚀,孔洞等,可采取水泥砂浆修补,有条件时可采用喷浆法修复。

1)砂浆修复方法:首先必须全部除掉已损坏的混凝土,并对修补部位进行凿毛处理,冲洗干净,然后在工作面保持湿润的状态下,将拌和好的砂浆用木抹抹到修补部位,反复压平,用铁抹抹光后,保湿养护不少于14 d。如果修补部位深度较大时,可在水泥砂浆中掺和适量的砾料,作用是可以减少砂浆干缩和增强砂浆强度。

2)喷浆修复方法:如果条件允许,可以采用此方法。方法是将水泥、砂和水的混合料用设备经高压通过喷头喷射到修复部位。

3.3 混凝土防渗层的翻修

3.3.1 旧板拆除,重新铺筑

混凝土防渗层如若损坏严重,例如破碎、错位,滑坍等的情况下,应拆除损坏部位,处理好地基土重新铺筑。在铺筑时要特别注意新旧混凝土的结合面处理好。方法是结合面凿毛冲洗后,涂一层厚2c m的水泥净浆,才能开始铺筑新混凝土,同样铺筑好的混凝土要注意保湿养护。

3.3.2 旧板不拆,加铺新板

现有混凝土板不拆除,在其上整平后加铺新板。

3.3.2.1 现浇混凝土方案

把旧混凝土冻胀隆起的部分压平后,在上面铺设保温板(聚苯保温板),然后铺一层塑料薄膜,完成后在其上再铺筑素混凝土。苯板和现浇混凝土的厚度应通过计算得出。此种方法的优点是比较适合渠道现状,较美观。缺点:工期长,施工质量较难控制,不适应工程在干渠输水间隔期施工,工期短的要求。

3.3.2.2 预制混凝土板方案

把旧混凝土冻胀隆起的部分压平后,在上面铺设保温板(聚苯保温板),然后铺一层塑料薄膜,砂浆找平后,铺筑混凝土板。此种方法的优点是混凝土板可集中预制,混凝土质量易控制,集中铺砌,适应工程在干渠输水间隔期施工,工期短的要求。缺点:混凝土板尺寸固定,难以适合渠道现状尺寸。

采用聚苯板对受冻害渠道进行防冻坏处理,经过实验是可行的。两种方案中聚苯板的选择:①要选择重质聚苯板,抗压强度不得＜2 k g/c m2。②聚苯板得厚度选择可以根据实际基础埋深与规定最小埋深之差选定。一般为 10∶1,即:每10c m埋深差,选1 c m厚保温板,因为聚苯板的导热系数为0.03～0.05 w/M K,是一般湿土的导热系数十分之一。

[1] 曲洪彬,曲洪雷,曹春顶.混凝土渠道的设计与施工要点[J].黑龙江水利科技,2006,34(3):50-51.