農(nóng)田水利工程凍脹破壞及防治措施分析

孫忠權(quán) 王居芳

【摘 要】我國農(nóng)業(yè)在國內(nèi)乃至國際都占據(jù)著重要地位，其中開展農(nóng)田水利工程對促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展起著積極作用。然而在農(nóng)田水利工程中凍脹破壞對工程建筑物的破壞力較大，尤其水位變動區(qū)的混凝土表面，一旦凍結(jié)會立即引起體積膨脹，融化時會化成水，降低彈性指數(shù)，長期以往較易剝蝕脫落，進(jìn)而影響工程效益發(fā)揮。本文則以寧夏惠農(nóng)區(qū)農(nóng)田水利工程為例，探究此項工程凍脹破壞原因，并針對破壞原因給予解決措施，以供參考。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)田水利工程；凍脹破壞；原因；防治

惠農(nóng)區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)石嘴山市的最北端，由賀蘭山丘陵地、洪積傾斜平原、黃河沖積平原三個單元組成。屬于中溫帶干旱大陸性氣候，東南季風(fēng)受重山阻隔進(jìn)入本區(qū)降水稀少，從西北而來的蒙古高壓干冷氣流可自賀蘭山鄂爾多斯高原長驅(qū)直入，夏熱而短促，春暖而多風(fēng)，秋涼而短早，冬寒而漫長，多年平均氣溫8.8℃，極端最高氣溫38℃，極端最低氣溫- 28.4℃。夏季主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)，頻率10.8%，多而大，平均風(fēng)速3m/s，其余各季為北風(fēng)和東北風(fēng)，頻率8.9%，平均風(fēng)速2.19m/s，也正是因為此極端天氣，極容易在進(jìn)行農(nóng)田水利工程中出現(xiàn)東脹破壞。

1 農(nóng)田水利工程凍脹破壞原因

1.1 混凝土凍脹破壞

土的組成是有機(jī)物質(zhì)和礦物顆粒，是多孔多相松散的介質(zhì)。相關(guān)實驗表明，土質(zhì)顆粒直徑>0.1mm時幾乎不存在凍脹，直徑0.1～0.05mm時凍脹屬性相對均勻，直徑0.05～0.002mm時凍脹屬性最強(qiáng)。而造成混凝土凍融破壞有多方面因素：1）外加劑影響；在混凝土施工過程中摻入減水劑能起到改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)也會相應(yīng)得到改善，降低凍脹應(yīng)力，提高混凝土抗凍性。2）水泥中不同礦物成份、品種及骨料會影響混凝土的耐久性。3）防止受水位變化影響；導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重凍脹多在寒冷季節(jié)水位變化時期，需采取有力的措施予以防止。

1.2 渠系建筑物凍脹破壞因素

渠系建筑物可以直接影響農(nóng)田供水效果，是農(nóng)田水利的重點工程。土壤之所以發(fā)生凍脹受多方面影響因素，如土壤溫度、土質(zhì)、含水量、土壤結(jié)構(gòu)、壓力及氣溫等，產(chǎn)生凍脹力后發(fā)生形態(tài)變化。土體中的水分凍結(jié)后變成冰后導(dǎo)致土壤出現(xiàn)凍脹，土壤體積膨脹是在受到約束后產(chǎn)生的力。觀察灌區(qū)渠道及相配套建筑物可得知，凍土深度會隨著冬季氣溫的降低而擴(kuò)大，凍脹也越嚴(yán)重，渠道混凝土面板的變形增大后也會導(dǎo)致其斷裂程度越來越嚴(yán)重。由于砂礫石土質(zhì)中不存在薄膜水，很少在凍結(jié)時發(fā)生水分遷移，從而不會產(chǎn)生凍脹。所以土壤中的土體顆粒、水、負(fù)溫及物理性質(zhì)是造成渠道破壞的關(guān)鍵因素，多數(shù)發(fā)生在灌區(qū)的中下部。渠道基土受凍后體積逐漸膨脹，以致渠道凍脹破壞。通常受凍體積膨脹的渠基土要具備土壤本身的中礦物質(zhì)成份、顆粒等物理力學(xué)性質(zhì)，具備土壤中會存在自由水和毛細(xì)水且有通暢的水分補(bǔ)給通道及寒冷氣候區(qū)持續(xù)的負(fù)溫等三個條件。其中土壤中自由水和毛細(xì)水是必備條件，也是凍脹發(fā)生的先決條件。水在整個漿脹破壞過程中是最活躍的因素。當(dāng)前受凍脹破壞渠道基本處于灌區(qū)中、下游居多，主要是因地下水埋在灌區(qū)中下游地區(qū)較為深淺，土體中自由水和毛細(xì)水的補(bǔ)給較為充足，再加上土壤顆粒細(xì)，然而氣溫一旦下降至零度以下，土體會因毛細(xì)水和自由水的體積受體膨脹而引發(fā)膨脹，導(dǎo)致渠道被破壞。

2 防治農(nóng)田水利工程凍脹破壞措施

2.1 做好農(nóng)田工程設(shè)計，預(yù)防凍脹破壞

一般農(nóng)田水利工程凍脹破壞可從改變凍土的凍脹性質(zhì)及分析凍脹規(guī)律，改變工程結(jié)構(gòu)兩方面著手，以此提高抗凍能力。這些措施都要從設(shè)計、施工、管理等各個方面綜合考慮。首先設(shè)計方面。總體布置時應(yīng)重視該地區(qū)年均最低氣溫、歷史最低氣溫、凍害情況、地下水的埋深補(bǔ)給等情況，選擇工程地段盡可能的以排水條件好、地勢高、土壤凍脹小為前提。在滿足使用條件下，建筑物的布置力求簡單。例如一字型水閘渠系建筑物，重點在于將垂直防滲改為水平防滲，縮小斷面，保證重點部位不會遭遇凍脹。基礎(chǔ)處理方面可對脹土鋪設(shè)隔水層。反拱底板具有良好的拱形結(jié)構(gòu)抗壓性能，是一種較好的處理措施，相關(guān)凍脹力可以利用反拱底板起到抵抗的作用，廣泛應(yīng)用于各大施工單位。本文所研究農(nóng)田水利工程建筑物就合理采用了反拱底板結(jié)構(gòu)，取得了良好的效果。此外，還可合理分割并設(shè)置建筑物變形縫，避免建筑物因凍害而遭到破壞，在于改善結(jié)構(gòu)內(nèi)部在凍脹力作用下的受力條件。如渠系建筑物可采用柔性連接管節(jié)，同時也可采用固定聯(lián)接，有效避免管節(jié)之間因土基凍脹上抬引起的錯位，以適應(yīng)凍脹變形或防滲防沖。

2.2 切斷凍土地基水分補(bǔ)給

從分析工程凍脹破壞原因中得知，導(dǎo)致土體凍脹有土壤本身的中礦物質(zhì)成份、顆粒等物理力學(xué)性質(zhì)，具備土壤中會存在自由水和毛細(xì)水且有通暢的水分補(bǔ)給通道及寒冷氣候區(qū)持續(xù)的負(fù)溫三個條件，只要三個條件同時具備才會發(fā)生凍脹破壞。同理而言，消除三個破壞因素中的一個才能減輕和防止凍脹危害。本文所研究農(nóng)田水利工程地區(qū)氣候條件是不可能使外部溫度不降低至零度，因此需采用常用的處理防凍脹的措施，即在凍結(jié)前、后切斷土地基的水分補(bǔ)給。一般減少水分的補(bǔ)給會采用排水或高填，但不能忽視毛細(xì)水的作用及土體顆粒及物理力學(xué)性質(zhì)。毛細(xì)水若上升至地下水面以下的2～3m的平面同樣使渠道產(chǎn)生東脹破壞，所以是不可能切斷細(xì)顆粒土體水分。針對上述情況應(yīng)從改變基土結(jié)構(gòu)分析，換填渠基土就是改變基土的基本結(jié)構(gòu)，在渠基中填入大顆粒的土體，挖走原來的細(xì)顆粒土體，通常換填厚度要和凍土深度相符，所以這種換填工程較大，一些凍土深度相對較深的地方適合用這種方法。

2.3 優(yōu)化施工步驟和修補(bǔ)措施

在冬季對建筑基礎(chǔ)進(jìn)行施工時，挖好基坑后要立即砌筑或澆筑并用保溫材料及時覆蓋，不得使地基土受凍。如果室外晝夜平均氣溫低于3℃時還要趕澆混凝土可摻雜一定量的防凍劑。因為防凍劑能減少混凝土中水分，增強(qiáng)混凝土的強(qiáng)度和抗凍性。但需要留意的是如果防凍劑超過限值，可能會因摻加過多的防凍劑而降低抗凍性。據(jù)某省市試驗資料表明，在木模中新澆的混凝土若暴漏在日極端氣溫- 10℃天氣中，混凝土溫度最低最降至- 3.7℃。如果將摻雜水泥用量3%亞硝酸鈉足以使混凝土是在無保溫措施下不會發(fā)生早期凍脹，也有利于混凝土強(qiáng)度、抗凍及耐久性。此外，還可通過各種治理措施預(yù)防凍脹。如噴漿防滲；指在需被修補(bǔ)的部位將混凝土板料以高速運動的形式注入，多用于混凝土凍融破壞較為嚴(yán)重的部位，抗?jié)B性和密度都優(yōu)于一般混凝土且效果佳。例如環(huán)氧材料修補(bǔ)；這種材料具有較高的抗?jié)B、抗蝕能力，還能與混凝土結(jié)合，材料配比嚴(yán)格，施工工藝相對來說較復(fù)雜，如果和其他修補(bǔ)方法配合使用效果更佳。

3 結(jié)語

總之，在農(nóng)田水利工程中凍脹破壞有較大的影響力，尤其對于一些溫良季風(fēng)氣候、年平均氣溫3.9℃的自然調(diào)價區(qū)域是十分不利的，寒冷天氣會使興建的農(nóng)田水利工程受到冰融、凍脹的破壞。對此，工程施工單位應(yīng)系統(tǒng)地觀察地區(qū)環(huán)境變化，掌握冰融、凍脹規(guī)律，盡可能的制定出簡便易行且符合本地實際情況的防護(hù)措施，在農(nóng)田水利工程設(shè)計、施工及后續(xù)維修管理方面應(yīng)順應(yīng)自然，統(tǒng)籌兼顧，從而減輕凍脹破壞的損失。

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