关于防渗渠道冻害的研究

【摘 要】在严寒地区，防渗渠道因冻胀破坏而使防渗失败，渠道渗漏冻胀严重的现实问题。在防渗渠渠道建设中把防渗与防冻胀同时考虑，本文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；防治措施

中图分类号：TU37 文献标识码：A文章编号：

目前，混凝土防渗渠道应用越来越广泛，防冻害总是也显得越来越突出。在如此高寒气候环境下，混凝土防渗渠道冻害破坏十分普遍。不仅影响工程的正常运行和效益的发挥，也造成了人力、物力和财力的严重浪费。随着防渗衬砌渠道抗冻胀措施的不断发展，新材料和新结构的广泛应用，这方面的知识和经验也愈来愈丰富，为提高渠道抗冻衬砌的工程效益，需要因地制宜地采用多种方案进行比较，从中选择经济技术效益最优的抗冻衬砌形式。

1 混凝土防渗渠道的冻害现象

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。

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。

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0.5～1.5m坡长和渠底中部，有时也顺坡而上形成数个台阶状。

4）滑塌

渠道滑塌有两种形式：（1）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。（2）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。

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。

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，孔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，小孔或远离混凝土表面的孔中的水则后结冰 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）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－78℃不冻结，弱结合水的外层在－0.5℃时冻结，越靠近土粒表面其冰点越低，弱结合水要在－20～－30℃时才全部冻结，重力水在0℃时冻结，毛细水的冰点稍低于0℃，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1t/m3，冰的密度为0.92 t/m3，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）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。

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。

4结束语

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、防渗效果好、糙率小、允许流速大、强度高及使用年限久等优点，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。结合灌区工程施工的实际情况，对渠道防渗渠施工技术、抗冻害等问题进行探讨，根据实践经验总结出灌区抗冻害的一些建议，供大家参考。

参考文献：

[1]南京水利科学研究所：《土坝裂缝及其观测分析》，水利水电出版。

[2]周仲孟：《水工建筑物检查观测与养护修理》，水利电力出版，。

[3]张相宝：《混凝土构筑物裂缝原因分析与处理》。