北疆地区混凝土衬砌渠道损坏原因及治理措施

摘要 通过对混凝土渠道损坏的具体原因进行分析，并提出一些相应的治理措施，以期能够对类似情况的混凝土渠道设计提供一定的借鉴。

关键词 混凝土衬砌；渠道；损坏原因；治理措施；北疆地区

中图分类号 TV91 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2013）09-0219-02

1 渠道砼衬砌板损坏原因分析

新疆北部地区，冬季严寒，局部地区最低温度在-20 ℃以下，多年平均冻土深度也大多在80 cm以下[1]；很多地区灌溉渠道沿线存在不程度的膨胀土、湿陷性黄土等地质问题。对于新疆大多数地区，由于气候条件、农业生产种植结构等因素，很多渠道冬季也要运行（冬小麦冬季灌溉用水），在此种运行条件要求下，对渠道的设计提出更多的要求。近几年，新疆北部部分渠道每年出现大量的损坏情况，损坏形式多为鼓板、变形断裂、塌陷和腐蚀，造成其损坏的主要原因是膨胀和冻胀、冻融所致。现就上述主要原因进行分析。

1.1 渠道膨胀

新疆北部部分地区分布着膨胀土，膨胀土是工程设计中遇到的地质问题之一，也是造成渠道运行中遭受破坏原因之一，如局部出现鼓翘，随后出现大面积、大范围的破坏。膨胀土为一种高塑性黏土，强度一般较高，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩的性质，性质不稳定常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形，造成位移、开裂、倾斜和破坏。

膨胀土主要成分含有较多的亲水性强的蒙托石（微晶高岭土）、伊利石（水云母）、硫化铁和蛭石等膨胀性物质，土的细颗粒含量较高。部分渠道沿线分布着不同程度的膨胀土，对膨胀土的处理，就是采用换填的方法，换填料采用粒径较大的戈壁料。换土回填不仅可以增加渗水的渗径，起到缓冲作用，而且换土其实就是增加渠道荷载的过程，根据作用力和反作用力的原理，当膨胀力产生时，土体的自重将抵消大部分膨胀上扬力的作用，保持渠身受力平衡，保证渠道运行安全。

1.2 渠道冻胀

新疆北部地区，冬季气温很低，多年来平均最大冻土深度都在0.8 m以下。由于渠道衬砌护面的暴露面积大、渠线长，冻胀对渠道衬砌危害很大，每年维修需耗费大量的人力物力。

渠道冻胀破坏是由于渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌而形成，渠基土受冻体积膨胀必须具备以下条件[2]：寒冷气候区持续的负温条件；土壤中自由水和毛细水的存在，并且有通畅的水分补给通道；土壤本身的物理学性质，包括土的颗粒组成、矿物质成分等。在以上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。从上述导致土体冻胀的3个基本因素中，只有3个因素同时具备，才能发生冻胀破坏。只要消除其中1个因素，就能防止和减轻冻胀危害。

根据以上3个因素，对渠道防冻胀处理形式进行比较：从目前新疆地区的气候条件来看，外部温度不达负温是不可能的，并且冻土深度较厚，因此如果采取保温措施可能造价会很高；切断冻土地基在冻结前后的水分补给是防冻胀破坏的常用方法，但是该渠道已运行多年，由于渗漏作用，其地下水和毛细水丰富，再加之该渠停水时间多为10月，渗漏水和毛细水无法在冻结前排出和蒸发完成，因此无法切断地基在冻结前后的水分补给；改变渠基土体的基本结构，改变基土基本结构的办法是进行渠基土换填。换填的优点是：当渠道附近有大量换填料时，造价可能便宜；当换填质量达到要求时，可保证渠道永久不受冻胀危害。

2 治理措施

以北疆木垒县三畦村团结干渠灌区下游段为例（该渠道渠基土岩性等情况具有一定的代表性，项目区属严寒地区，存在抗冻胀及膨胀土等特殊地质问题）。该渠道经过相应的处理措施实施后，经过多年运行证明，目前渠道运行良好。

该渠上游段渠道两边的土体中含有大量的可溶性硫酸盐，当土体中的硫酸盐含量大于土体总量的1%时，不仅产生腐蚀作用，更重要的是由于盐胀使混凝土产生疏松、膨胀、剥落、掉皮等严重侵蚀现象。其中主要原因是土中大量的可溶性盐在遇到降水或施工用水而溶解，其中的硫酸根离子（SO42-）和砼中的钙离子（Ca2+）反应而生成硫酸钙，这将产生一次体积膨胀，硫酸钙再和混凝土中的铝酸三钙（C3A）反应生成硫铝酸钙，产生二次体积膨胀，膨胀应力使混凝土胀裂、变酥，并且当砼板四边周围无应变空间时，膨胀应力将使应变继续向砼板垂直方向发展，直到整段的砼板膨胀应力达到平衡为止，这将使砼板不仅沿平面方向膨胀，而且在砼板边缘沿垂直方向膨胀，最后形成现在这种由中间向四周翘的形状[3]。由于出现渠道衬砌砼板之间错台大于3～4 cm，衬砌砼六角块隆起大于10 cm，沉陷大于8 cm；由于膨胀土或防渗膜下土方流失、下沉，导致渠板断裂结构失稳的；渠道弧底砼板裂缝较多，磨蚀超过2 cm的情况，应进行换板或换土施工。换板换土施工应严格按照以下工序进行。

2.1 旧板拆除

在拆除衬砌砼板或六角块时，应尽量保护板下周边防渗膜完好，并不伤及其他砼板。拆除的六角块质量完好的应重复利用。

2.2 换板部位土方开挖换填

换土部位开挖深度应根据其膨胀和冻胀破坏程度决定，如果换土部分是弱膨胀岩土或冻胀较轻则换土40 cm，若是中、强膨胀土或冻胀较严重则换土50～80 cm，根据近几年的换填施工认为，换填50 cm比较经济而且效果较好。换填料应在压实后有足够的强度，而且要有较好的透水性，易采用砂砾石、砾质土和砂壤土，不允许使用黏性土料。回填夯实采用分层夯实的方法，每层铺土厚度≤20 cm，铺土要均匀平整。渠道沿线土质多为砂壤土或粉细砂，其最佳含水量为11.5%，若土壤比较干燥应采用洒水的方法调节土壤含水量，若土壤含水量较大，应采用排水、晾晒、换土等方法以使含水量控制在适宜范围之内。夯实机械为蛙式打夯机或其他能达到相同质量要求的机械。分层夯实遍数不得少于4遍，应杜绝漏夯、虚土层、橡皮土等不符合质量要求的现象，夯实后土样干容重不小于1.75 g/cm3。并应预留削坡量，为避免表面干燥和施工中人为因素的践踏及雨水冲涮而造成的起尘和破坏，渠道削坡宜在粘膜前进行。削坡时应严格控制高程及表面平整度，为衬砌完后条石表面与原渠道一致。

2.3 粘膜

对防渗膜的保护是施工过程中的重点。防渗膜避免在运输过程中破损，进场后应进行仔细检查，仔细裁剪，在衬砌过程中避免对膜布造成破坏。

拆除砼板后，周边若有10～15 cm保存完好的防渗膜，则应将其裁剪，清理干净后，在干燥状态下均匀涂抹1层树脂胶，宽度不小于10 cm。然后将所要搭接的新防渗膜四周也涂抹1层宽度不小于10 cm的树脂胶。待胶水基本干燥不粘手时，进行搭接作业，搭接表面必须清洁，搭接宽度大于15 cm，搭接后的连接部位必须均匀、牢固、不存在渗流通道。粘接新膜的尺寸不易过大和紧绷，应使其稍有收缩余量[4]。

若拆除的砼板周遍没有10～15 cm宽保存完好的防渗膜，沿砼板边将旧膜裁去。在防渗膜粘接前，需对旧防渗膜搭接部位下的小部分土方进行清除。清除土方时，应向旁边的板下内部小心清理10～15 cm深度，预留一定的坡度。将旧防渗膜从砼板上剥离，清理干净后，按前面的要求粘接。

若旧防渗膜为无纺布聚乙烯膜（简称“白膜”），无法从砼板上剥离时，先沿板边将多余部分切除，在板边下小心清理15 cm左右深度，并预留一定空间（此部分空间应在条带膜粘接完后用原土回填密实）。将粘在砼板上的膜下部分清理干净，在干燥状态下抹1层树脂胶。再将新膜先裁成30 cm左右的条带，刷胶，与砼板下旧膜粘接后，周边留出的部分再与新膜粘接。

2.4 衬砌

衬砌采用135条石（40.0 cm×13.5 cm×8.0 cm），采用条石的好处在于条石比较适应变形，而且可重复利用。砂浆标号为M10，严格控制砂浆的拌和质量，规范外加剂的称量和加入的方法[5]。防渗膜粘接完成后，在膜上铺2 cm厚的砂浆垫层后，进行浆砌石作业，衬砌前先对条石进行饮水，以确保条石和砂浆更好的结合。衬砌施工中控制条石面的平整与清洁程度，确保输水渠床断面糙率和外观质量。浆砌石作业完成后，加强养护，保证砂浆强度正常增长，最后应砂浆密实，表面应平整与原渠道保持一致、洁净、勾缝均匀，与相邻的砼板之间的伸缩缝应留5～7 cm的深度，采用PVC油膏灌缝。拆除的砼板和浆砌石作业产生的建筑垃圾应就近挖坑填埋，保护自然环境。

3 结语

综上所述，新疆北部部分渠道距离长，过水断面大，冬季有灌溉运行要求，渠床基础面地质岩性复杂，膨胀、冻胀、腐蚀等不良地质岩性，上述因素是造成渠道衬砌结构破坏的主要原因[6-9]。衬砌结构受到破坏后，采取适宜的方法是换板换土处理，采取过换板换土的部位未发生破坏现象。另外，在施工过程中严格按照施工工序和工艺进行施工，加强施工工序质量控制，能够达到预期效果。对于渠道在具体设计中，特别是能够针对性地提出适宜的防治措施，还需要加强地质勘查基础性工作，准确揭示工程区地层岩性，特别是特殊地质问题及相关的渠坡、渠基土地质参数，如渠坡、渠基土的类型、物理力学指标，只有清楚掌握上述指标，才能够准确地在设计方案中提出合理的防治措施，做到防患于未然。

4 参考文献

[1] 新疆维吾尔自治区水利厅，新疆水利学会.新疆河流水文水资源[M].乌鲁木齐：新疆科技卫生出版社，1999：1-23.

[2] 李延革，杨革.季节冻土区灌区水建筑物冻害破坏原因及防治措施[J].黑龙江水专学报，2005（3）：45.

[3] 程仲雷，柯春光，张磊，等.新疆木垒中型灌区节水改造配套项目实施方案报告[R].乌鲁木齐：新疆水利水电科学研究院，2011：93-96.

[4] 中华人民共和国水利部.SL176-2007水利水电工程施工质量检验与评定规程[S].北京：中国水利水电出版社，2007.

[5] 中华人民共和国国家经贸委员会.DL/T5144-2001水工混凝土施工规范[S].北京：中国经济出版社，2007.

[6] 孙杲辰，王正中，娄宗科，等.高地下水位弧底梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏力学模型探讨[J].西北农林科技大学学报：自然科学版，2012（12）：1-7.

[7] 王国新，李晓斌，岳安华.大型渠道渠坡混凝土衬砌施工技术[J].河南水利与南水北调，2011（12）：29-31.

[8] 刘旭东.混凝土衬砌渠道抗冻胀技术措施及其机理研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2010.

[9] 王丽娟.水利工程中混凝土衬砌渠道渗漏措施[J].科技创业家，2012（19）：29.