王萬(wàn)洋

(新疆瑞祥農(nóng)牧工程咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，新疆修建了大量的水利工程，其中修建了超過(guò)30萬(wàn)km的各類輸水渠道。這些輸水渠道中只有三分之一左右的渠道進(jìn)行了防滲處理，其余渠道未做防滲處理，在輸水時(shí)水資源流失嚴(yán)重，輸水損失率很大，進(jìn)一步加劇了水資源的緊張局面。研究表明，襯砌后的渠道可減少輸水損失約70%左右[1]。然而，新疆屬于季節(jié)凍土區(qū)，渠基土體中的水冬季會(huì)結(jié)冰土體凍脹，夏季會(huì)融化土體下沉，襯砌過(guò)的輸水渠道如不采取防凍脹設(shè)計(jì)和措施，渠道會(huì)發(fā)生比較嚴(yán)重的凍脹破壞[2]。本文通過(guò)對(duì)新疆地區(qū)渠道病害的調(diào)查研究，對(duì)混凝土渠道基土凍脹的影響因素進(jìn)行了分析，并據(jù)此提出了渠道抗凍脹技術(shù)和措施。

1 混凝土渠道凍脹影響因素

凍土是由土顆粒、冰、空氣、礦物質(zhì)及吸附水等組成的多相特殊的土類。由于凍土的復(fù)雜性，所以影響其凍脹的因素也有很多，但主要與其組成、結(jié)構(gòu)和溫度有關(guān)，如含水量、顆粒粒徑、含鹽量等?；炷凛斔赖钠茐闹饕怯汕馏w凍脹引起的不均勻沉降造成的。

1.1 未凍水含量的影響因素

凍土凍結(jié)后，不是全部的水都轉(zhuǎn)化為冰，還有顆粒表面的結(jié)合水不會(huì)轉(zhuǎn)化，這部分未凍水可以隨溫度在水和冰之間變化，溫度升高時(shí)，未凍水含量增加，溫度降低時(shí)，未凍水含量減少，導(dǎo)致了土體性質(zhì)的變化。未凍水含量和土質(zhì)(土顆粒的礦物質(zhì)成分、密度、分散度、水溶液的濃度和成分)、外界條件(壓力和溫度)、凍融史有關(guān)。

在相同的溫度下，土壤的顆粒越細(xì)、表面積越大，則未凍水含量越大，如黏土中的未凍水含量大于粉土，粉土大于沙土。在相同的溫度下， 渠基土體中未凍水含量隨初始含水量增大而增大。當(dāng)溫度低于-2 ℃時(shí)，渠基土體中未凍水含量隨土體干密度的增大而增大。在給定的溫度下，渠基土體中未凍水含量隨土體含鹽量的增大而大幅增加。

凍土中除土顆粒外，還有已凍結(jié)的多晶冰，而多晶冰也呈顆粒狀，也能吸附一定量的未凍水，也會(huì)對(duì)未凍水含量產(chǎn)生影響，從而影響到渠基土體的性質(zhì)。多晶冰中的未凍水含量隨冰晶顆粒的減小和冰飽和度的增加而增大。土體顆粒及多晶冰顆粒之間空隙中水的氣體含量和凍結(jié)速率都大，可以影響到冰晶的形成，進(jìn)而對(duì)未凍水含量有影響。

在溫度相同時(shí)，渠基土體中未凍水含量隨外部加載壓力的增大而增大。在渠基土體含水量相同時(shí)，土體的凍結(jié)溫度隨外載壓力的增大而線性減小。

1.2 凍土中水分遷移

渠基土體中水分的凍脹主要分為原位凍脹和分凝凍脹，原位凍脹造成的體積增大很微小，分凝凍脹造成的體積增大較為明顯，是土體凍脹的最主要的影響因素。分凝凍脹是由土體中地下水遷移引起的，包括水分遷移和負(fù)溫結(jié)冰兩個(gè)過(guò)程。渠基土體凍脹的主要影響因素是土體中的水流情況和溫度變化引起熱水流情況，土質(zhì)、含鹽量、外載壓力可以影響土體凍脹的程度和速度。

影響水分遷移的條件主要有：溫度、水分、土質(zhì)。溫度梯度越大，土體的凍結(jié)速率越大，反之溫度梯度越小，土體的凍結(jié)速率越小，凍結(jié)鋒面推進(jìn)越慢，水分遷移的時(shí)間越長(zhǎng)；水分條件主要包括土體的初始含水量及含水量的變化、地下水位及其與凍結(jié)鋒面的距離；土質(zhì)條件主要與土體顆粒大小有關(guān)，顆粒的比表面積越大，吸附水的能力越強(qiáng)，水分的遷移能力越強(qiáng)。

水分遷移受溫度、土質(zhì)、水分的綜合影響，因而水分遷移具有較大的隨機(jī)性，但在時(shí)間順序上是連續(xù)的，此外，當(dāng)溫度和土質(zhì)條件不變時(shí)，地下水位的不同，會(huì)導(dǎo)致水分遷移出現(xiàn)不同的特征，如凍結(jié)前地下水位較高，土體的初始含水量會(huì)較大，凍結(jié)鋒面移動(dòng)會(huì)推遲，所以凍結(jié)前期水分遷移不明顯，隨著凍結(jié)過(guò)程的深入，水分遷移加快，遷移量達(dá)到最大，渠基土體中的水分聚集和聚冰情況加劇，土體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生凍脹破壞。

2 渠道防凍脹措施

根據(jù)上一節(jié)分析的引起渠基土體凍脹的影響因素，混凝土渠道可以從改善渠基土的溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)、采取合理的襯砌結(jié)構(gòu)、科學(xué)的運(yùn)行管理模式和開(kāi)發(fā)新型的防滲材料等方面采取防凍脹措施。

2.1 保溫隔熱措施

保溫隔熱措施是指在渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)中采用保溫隔熱材料層，改善渠基土體內(nèi)部的溫度場(chǎng)，防止渠基土體凍結(jié)，消除土體凍脹力的措施。目前，在混凝土渠道襯砌或者建筑外墻保溫等工程中常用的保溫隔熱材料為硬質(zhì)聚苯乙烯泡沫塑料板，其具有不透水、抗老化、耐腐蝕、保溫效果好、造價(jià)低、施工方便等優(yōu)點(diǎn)。研究表明，混凝土渠道為東西走向時(shí)，渠道背陰坡底部及下部鋪設(shè)10 cm厚保溫板、上部鋪5 cm厚保溫板，渠道向陽(yáng)坡下部鋪5 cm厚保溫板、上部鋪3 cm厚保溫板，可基本上消除渠基土體的凍脹，不產(chǎn)生凍脹破壞；混凝土渠道為南北走向時(shí)，渠道背陰坡鋪設(shè)8 cm厚保溫板，渠道向陽(yáng)坡鋪5 cm厚保溫板，可基本上消除渠基土體的凍脹，不產(chǎn)生凍脹破壞。

2.2 基礎(chǔ)換填處理

基礎(chǔ)換填處理是指用砂礫石等非凍脹性土來(lái)?yè)Q填原渠基的粉質(zhì)黏土、壤土等凍脹性土，改善渠基土體的排水性，并改善渠基土體水分場(chǎng)的措施。采用砂礫石換填可以使渠基土體實(shí)際含水量低于起始凍結(jié)含水量，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，結(jié)合排水措施，可有效減輕渠基土體的凍害。渠基土體的凍深隨換填厚度的增大而增大，凍脹量隨換填厚度的增大而減小。對(duì)南北走向的渠道，渠底換填風(fēng)積沙40 cm可使凍脹量減小超過(guò)1/2，換填60 cm厚時(shí)，可使凍脹量減小3/4。

2.3 合理的襯砌結(jié)構(gòu)

合理的渠道斷面和襯砌結(jié)構(gòu)可以有效降低凍害的破壞。目前，渠道主要的襯砌結(jié)構(gòu)為復(fù)合結(jié)構(gòu)，由混凝土護(hù)板、防滲膜料等組成，在寒區(qū)還有保溫層結(jié)構(gòu)。常用的防滲膜料有聚乙烯塑料薄膜、瀝青玻璃絲布油氈、復(fù)合土工膜等?；炷烈r砌結(jié)構(gòu)和斷面型式根據(jù)工程的規(guī)模等選取，一般大型干渠、支渠采用梯形斷面或梯形斷面弧形渠底加防滲薄膜[3]的襯砌結(jié)構(gòu)型式，斷面較大的斗渠采用梯形斷面弧形渠底加防滲薄膜的襯砌結(jié)構(gòu)型式，小斗渠、農(nóng)渠常采用預(yù)制混凝土板或預(yù)制混凝土U型槽的襯砌結(jié)構(gòu)型式，也可采用復(fù)式矩形斷面加防滲的結(jié)構(gòu)型式。

2.4 合理的運(yùn)管模式

渠道運(yùn)行管理過(guò)程中，科學(xué)的管理模式和調(diào)度方法對(duì)渠道的運(yùn)行有著重要的影響。需要根據(jù)不同的用水需求、不同用水時(shí)段、不同的地域制定相適應(yīng)的渠道運(yùn)管計(jì)劃，以保障渠道正常運(yùn)行。在需要冬灌的灌區(qū)，采用節(jié)制閘控制渠道常水位，可以達(dá)到控制渠基土體溫度的效果，使混凝土初期襯砌不會(huì)出現(xiàn)凍脹破壞；在不需要冬灌的灌區(qū)，尤其是嚴(yán)寒地區(qū)，需要隨時(shí)掌握氣溫及渠基土體溫度的變化，在渠基土體封凍前及時(shí)放空渠道，保障渠道無(wú)水，降低渠基土體含水量，防止凍脹。此外，還應(yīng)鼓勵(lì)農(nóng)民積極參與渠道的運(yùn)行管理，調(diào)動(dòng)農(nóng)民的積極性，進(jìn)而降低渠道維護(hù)成本。

2.5 研制新型襯砌材料

隨著科技的發(fā)展，用于混凝土渠道的襯砌材料也越來(lái)越廣泛。常用的新型材料有固化劑、纖維混凝土以及高分子材料等。固化劑采用離子交換原理，將有機(jī)成分溶于土壤中，破壞顆粒吸附水的能力及土體的結(jié)構(gòu)，并發(fā)生離子反應(yīng)形成新的膠凝物質(zhì)，進(jìn)而達(dá)到硬化土體和防滲的作用。固化劑具有防滲、抗壓、抗凍脹、無(wú)污染、應(yīng)用范圍廣、造價(jià)低、性能穩(wěn)定，以及施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在中小型渠道襯砌中應(yīng)用價(jià)值較高。纖維混凝土是在混凝土拌合過(guò)程中加入聚丙烯纖維絲，來(lái)增強(qiáng)混凝土的抗拉、抗裂能力，增大其塑性，保持混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的整體性。纖維混凝土最早應(yīng)用于建筑中，對(duì)提高混凝土的早期強(qiáng)度，防止水化熱、干縮等產(chǎn)生的微裂紋，減少混凝土開(kāi)裂寬度和表面裂縫，提高混凝土的防滲性能有明顯的效果。在大型渠道、蓄水池等建筑物中有很高的應(yīng)用價(jià)值。高分子材料應(yīng)用的襯砌結(jié)構(gòu)能適應(yīng)凍脹變形，防滲效果好，可有效減輕凍脹和混凝土開(kāi)裂等問(wèn)題，具有技術(shù)可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)。高分子材料作為渠道襯砌結(jié)構(gòu)正是目前很熱門的研究方向，應(yīng)用前景廣闊。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)新疆地區(qū)輸水渠道病害的調(diào)查研究，對(duì)影響渠基土體凍脹破壞的因素進(jìn)行了分析，并著重分析了未凍水含量的影響，進(jìn)而對(duì)凍土中的水分遷移原理進(jìn)行了分析。在此分析的基礎(chǔ)上，提出了保溫隔熱措施、基礎(chǔ)換填處理、合理的襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、合理的運(yùn)行管理模式，以及研制新型襯砌材料等渠道防凍脹措施。