渾蒲灌區水工建筑物破壞原因分析

富建軍

( 遼中縣水利建筑工程公司，遼寧 遼中110200)

沈陽市渾蒲灌區位于E122°50' ～E123°20'，N41°20' ～N41°50'，即沈陽市西南部，渾河與蒲河之間，包括于洪，新民，遼中3 縣( 區) 的19個鄉( 鎮) 和2個國有農場。

區內東西長60 km，南北寬20 km，地形東北高，西南低。地面高程由沈陽莫家堡進水閘38 m高程逐漸向西南傾斜，在遼中縣四分干烏伯牛節制閘附近高程為12 m，地面坡降為1/5 000 ～1/4 000。

灌區地處北溫帶，屬大陸性季風氣候區。冬季嚴寒干燥，夏季高溫多雨，一年四季分明，月平均最高氣溫28.7 ℃，月平均最低氣溫－20.5 ℃，最高極端氣溫36.3 ℃，最低極端氣溫－37.5 ℃，凍層深度為1.2 ～1.4 m左右，年平均降水量為650 ～700 mm，其中6—8月降水量最多，約占全年降水量的65%以上，年均蒸發量為1 100 ～1 400 mm。無霜期平均為165 d。

區域內面積為1 000 km2。其灌溉工程總干渠為27.4 km，下轄分干7 條，直屬支渠18 條，有固定提水站18 處。排澇工程為5 條自流排干，其控制面積為710 km2，保護耕地為150 km2。合計長度為211 km，共有排水站57 座，總裝機容量為5 420 kW，萬畝農橋60 座，排水閘設計流量＞5 m3/s 的有20 座。

這些水工建筑物大多始建于1970年，灌溉工程雖于1990—1993年進行支渠以上建筑物更新改造，建筑物遭受破壞的主要原因是凍融破壞，為了探索防治凍融循環破壞，我們對遭受凍融破壞的建筑物進行分類調查，并對其破壞原因進行分析［1］。

1 渾蒲灌區水工建筑物凍融破壞類型

水工建筑物凍融破壞可歸納5 類即: ①擋土墻破壞。②橋、渡槽及排水站的井柱基礎破壞。③護岸破壞。④涵管破壞。⑤金屬結構破壞。

1.1 擋土墻凍融破壞

擋土墻凍融破壞現象比較常見，特別是小型建筑物擋土墻經過3個凍融期就產生破壞現象。根據調查的50 座建筑物統計分析，其破壞形式有漿砌石裂縫及傾斜變位［2］。

1) 裂縫是漿砌石擋土墻破壞的主要形式。它的裂縫有斜裂縫，豎直裂縫，水平裂縫3 種。斜裂縫是由于斷面受剪，而沿砌石縫隙的破壞，它多發生在中下部，縫寬多為3 cm，最多可達8 cm。如:渾蒲灌區4分干土堡子節制閘消力池。

豎直裂縫主要是由于墻體斷面受拉造成墻體開裂。有兩種情況:①閘室與墻體連接處分縫擴大，或擴大時錯位止水設施造到破壞; ②拐角處其特點是垂直于地面上寬下窄形式。

2) 鋼筋混凝土結構傾斜變位。擋土墻在水平凍脹力和切向凍脹力雙向作用下向臨空面傾斜變位，破壞的結果是在變位達到某種程度后，漸漸穩定，極少造成倒塌失事，其傾斜率在6%左右，在傾斜的同時混凝土表面發生剝落現象。

如某蓄水工程的涵管，其設計流量為8 m3/s，共2 孔，每孔為1.7 m高，凈寬1.7 m。其進水口擋土墻傾斜變位為12 cm，傾斜率為5%，其鋼筋保護層經20 a的破壞已剝落。

1.2 井柱式基礎破壞

井柱式基礎是農田橋，渡槽、及排水站的重要下部結構之一，在排水干渠中，由于地水水位較高，長期存有地表水，因此井柱式基礎凍融破壞是沈陽市渾蒲灌區水工建筑物的普遍破壞現象。

1.2.1 樁柱凍拔

樁柱即處于溝( 渠) 底，在切向凍脹力的作用下上抬。處于渠道中間柱的位移最大，邊坡次之。

如烏伯牛排水干渠的東荒地橋最大凍拔量20 a的時間總計為60 cm，特別是4 分干右10 支渡槽，建成后第二年就被拔起10 cm，不得已而改建。

1.2.2 井柱混凝土剝蝕破壞

剝蝕破壞多發生在排水渠道上，填方渠道基本沒有破壞現象。剝蝕發生在冬季有水的水位變化區，輕的現象為混凝土保護層剝落，鋼筋外露。嚴重的深入混凝土內部，20 a的剝落厚度為10 cm。

如黑魚溝3 排干的亮子溝橋原設計井柱為80 cm，經20 a剝蝕僅存50 cm。

1.3 護岸( 坡) 破壞

漿砌石、混凝土板等剛性材料護坡中，在凍融循環作用下，由于建筑物受到不均勻凍脹作用下產生錯位，并且融化后無法恢復到原位，從而使剛性材料表面形成裂縫。

如某蓄水工程的混凝土模袋工程僅一個凍融期就發生該破壞現象。

1.4 涵管破壞

1.4.1 涵管上部擋土墻破壞涵管上部擋土墻裂縫破壞，以圓涵為主，且多為上下貫通縫。裂縫上寬下窄。

預制涵管多發生此現象，涵管一節多為2.4 m，一般涵管總長在5 ～7.2 m。涵管在豎向凍脹力作用下產生不均勻凍脹和融沉。造成涵管之間相互錯位和移位。

如:某鄉的農業開發工程，其上抬量在1 ～3 cm。

1.5 金屬結構閘門板破壞

閘門板破壞發生在蓄水工程中，閘門板在冰推力作用下向背水面鼓起、變形。

從水工建筑物凍融破壞特點看來，存在以下共同性質:

1) 同一建筑物的破壞，陰坡大于陽坡，特別是東西走向建筑物更為明顯。

2) 同一建筑物下游比上游嚴重。

3) 排水溝大于灌溉渠道，灌溉渠道中地下渠道大于半挖半填式。地上填方渠道沒有凍融破壞發生。

4) 凍融期氣溫冷暖交替頻繁，凍融破壞嚴重。

奇納馬薩介紹說：“目前津巴布韋國內大豆種子嚴重短缺。只有2750噸大豆可滿足需求，距實現農業計劃下的大豆生產目標還有很長距離?！逼婕{馬薩表示，化肥行業也同樣面臨挑戰?！坝雄E象表明，津巴布韋目前有12萬噸的化肥準備投放市場。從今年11月到2019年1月，化肥行業產能將再增16萬噸?！?/p>

2 渾蒲灌區水工建筑物破壞原因分析

2.1 形成凍融破壞的自然因素

1) 氣溫: 渾蒲灌區的氣溫在11月上旬地面凍結，解凍于次年3月中旬，平均最大凍土深度在1.2～1.4 m。地下水埋深平均在2 m左右，1月份平均最低氣溫為－12 ℃，最低氣溫為－33.1 ℃。

2) 土壤情況: 土質多為黏土、亞黏土，屬于強凍脹土。

3) 土體前期含水率及凍結期水分。灌區凍結層凍前含水率多＞16%，最大可達35%，常年在解凍前多為冬雨封地，增加土壤的含水率，為凍融現象創造條件。

2.2 凍脹力及冰作用力對建筑物破壞

凍脹力有3 種形式: ①水平凍脹力。②切向凍脹力。③法向凍脹力。

當建筑物受力部位強度不能抵抗外力作用時，即發生破壞。

2.2.1 水平凍脹力的破壞作用

水平凍脹力使擋土墻發生水平位移、傾斜的主要原因。由于渾蒲灌區擋土墻設計只考慮土壓力設計，沒有考慮大于主動土壓力幾倍的水平凍脹力。

2.2.2 切向凍脹力的破壞

井柱式樁基是凍拔的主要原因，基礎土凍結時，凍土方向向上膨脹，當建筑物荷載小于切向力時，把填入凍土中的樁順著凍脹方向抬起。

2.2.3 法向凍脹力的破壞作用

該力是使護坡( 岸) 和淺基礎發生破壞的主要原因。護坡( 岸) 和板式淺基礎與土壤接觸面積大，致使地基水分，溫度和土質難保持一致，故發生凍脹和融沉現象的破壞。

再加上多年進行渠( 溝) 清淤工程，使現有渠底( 溝) 低于設計渠底，造成建筑物基礎埋深低于冰凍線的要求，也是造成法向凍脹力破壞的原因之一。

2.3 設計上的原因

1) 渾蒲灌區水工建筑物設計所采用公式力學指標均以非凍脹土為準，所以它與具有凍融特性的土質情況不符。

2) 涵管及擋土墻的中小型建筑物埋深只有0.8 m，沈陽地區標準冰凍線＜1.2 m。

3) 漿砌石的水泥砂漿強度為M5 或M7.5，未考慮抗凍要求。

4) 混凝土結構中水泥未考慮抗凍要求。

5) 金屬結構中外力計算只考慮水壓力，忽視靜冰及動冰作用。

6) 未考慮建筑物臨土面土壤中水對建筑物滲透而采取的防滲防凍設施。

2.4 施工原因

1) 基土處理不達標，春季施工小型工程由于基礎埋藏淺，這樣就落在未完全融化凍土層上，造成建筑物沉降變形。

2) 砌石質量不規范，其主要表現在漿砌石工程中砌石尺寸大小不均，特別是臨土面凹凸不平，增加凍結面積，砂漿鋪設不飽滿，影響整體性，降低強度。

3 結 語

通過調查分析，解決灌區水工建筑物凍融破壞的發生，必須做到以下3個方面:

3.1 設計方面

充分掌握建筑物所在的自然條件，建筑物施工運行的基本資料，從工程選址、結構形式及建筑材料選取考慮防凍措施如: 建筑單位擋土墻在水位線下設排水孔，凍土置換等。

3.2 施工方面

監理單位、承包商要嚴格執行設計文件。

3.3 運行方面

管理單位依據水工建筑物特點制定運行方法時充分考慮凍害的措施。

［1］潘炳甫. 灌區水工建筑叢書:農橋［M］. 北京:水利電力出版社，1981.

［2］王宇，劉森，韓雷. 生態型護岸結構凍脹適應性的試驗示范研究［J］. 黑龍江大學工程學報，2012，03( 01) : 33－36.9