季節凍土區渠系建筑物凍害破壞及防治措施

鄭美玉,趙小宇,彭 博,孔凡丹,李 凱

(1.綏化學院 農業與水利工程學院,黑龍江 綏化 152061；2.綏化學院 食品與制藥工程學院,黑龍江 綏化 152061)

我國凍土分布面積極為廣闊,黑龍江地處我國最北端,是我國重要的糧食生產基地,該地區冬季氣溫長期處于零攝氏度以下,渠系建筑物極易受到凍害的影響而破壞。在凍土區渠系工程的安全穩定地運作是滿足農業生產水源灌溉的關鍵。然而從實際情況來看,由于存在溫度、土壤等多方面因素,部分渠道護坡襯砌體會因此而出現隆起或是脹裂這些情況,如果任之發展那么將會導致襯砌結構失穩破壞,甚至是誘發渠系工程失效現象!由此可見,在冬季尤其是北方凍土區域渠道護坡凍脹損壞的情況不僅會對渠系安全運行構成威脅,同時更會對該地區農業生產帶來不小影響。因此,研究季節性凍土地區渠道護坡工程破壞是十分必要的。

1 渠道凍害破壞類型

按照破壞類型的區別以及凍害破壞的形式能夠將渠道襯砌體凍害破壞分為兩種類型：由渠道內水體結冰造成的冰凍破壞與由渠基土體凍融產生的破壞。

渠基土在地下水和其他來水補給的情況下含水量不斷升高,在冬季低氣溫作用下水凍結成冰。在水轉變為冰后體積增大的基礎上,就會造成渠基及坡面土體膨脹,進而產生凍脹力。

冰凍破壞一般是由于渠道在冬季輸水或有未排出的存水,在冬季低溫環境下將發生凍結。凍結形成的冰將對渠道邊坡產生冰壓力作用,進而導致襯砌體的破壞。

2 凍害成因

季節凍土區渠系建筑物凍害的成因通常分成外部因素與內部因素兩種類型。其中外部因素主要包括了管理力度不足、設計不科學、施工技術不到位等因素；內部因素主要包括了長期凍融循環、地基冰凍、融沉與凍脹等方面。

2.1 凍害內因

渠道的襯砌破壞主要與襯砌構造、溫度、水份以及土質具有一定關聯。第一,溫度條件。渠床頂部的凍結深度超過渠坡底部與渠底凍結深度,這往往是因為土體含水量和渠坡頂部為雙向凍結小過渠底與渠坡底部導致的。除此之外,渠道走向同樣會對凍脹產生影響,通常情況下渠道走向為東西時,陰坡深度往往比陽坡要大。第二,水分條件。水份條件在很大程度上決定了渠床各點凍脹的不均勻性、凍脹率沿深度的分布與渠床土凍脹性的大小等內容,所以,渠道襯砌凍害破壞一個關鍵影響因素在于渠床的水分條件。根據水份條件可以將渠道襯砌的凍害破壞為兩種類型。其一為由地下水不急條件,導致渠床出現凍脹,導致襯砌受到破壞；其二為襯砌或地面滲水增加了渠床含水量,所以出現凍脹而導致襯砌破壞。第三,土質條件。如若渠床土質條件為粗粒土時,如礫石、粗砂,通常其凍脹量不會太大。如若渠床土質條件是細粒土時,尤其是粉土時,當渠床土質含水量較多,同時具有地下水補給時,就會有較多凍脹量出現。如若將適應變形能力小的剛性襯砌,如漿砌石或混凝土等運用到渠床上,就容易出現凍害破壞。

2.2 凍害外因

第一,在設計過程中具體設計與季節凍土區具體情況不相符,并未將凍脹力的作用綜合考慮在內,同時也并未采用凍脹破壞的的有效防治對策,所以,受到地基土影響下,容易導致整體建筑穩定性下降而產生破壞。第二,不正確的施工技術造成建筑物凍脹破破壞如填土壓實度不夠、換填材料質量不合格、排水設施失效、保溫材料鋪設不嚴密、膜料材料及鋪設不符合要求；混凝土參數不達標及施工縫設計不合理等,導致工程受地基土凍脹作用而破壞。

3 防凍脹措施

防治建筑物凍害的方法有多種,可歸結為兩種基本方法：第一,結構結構措施[1],也就是提高建筑物適應與抵抗凍融變形能力的措施；第二,地基處理措施,即將凍因削減或消除的措施。

3.1 防治凍脹的工程措施

(1)換填法。換填法是指將天然地基的凍脹性土采取弱脹性材料,如礫石、粗砂等來替換,用來將地基土的凍脹減弱或消除。將非凍脹土局部或全部置換原有的脹土,實際需要根據地下水埋深與渠基土質來確定實際置換比例。如若土質主要是輕黏土、壤土、砂壤土,且地下水深度超過凍深加臨界深度時,則需要置換凍深的40%～70%；如若地下水深度比凍深加土壤臨界深度要小的情況下,則需要對50%-80%的凍深進行置換,或是全部置換。同時還需將一層防滲膜料鋪設在置換材料下方,且采用含水量較小的土壓實且進行包裹,有效隔離其和外部水份,防止下部水遷移至凍結封面,避免地基地凍脹的情況出現。

(2)隔水封閉法。

通常情況下,是因為土中水分和下部補給的遷移水分凍結后,其體積變大而導致土的凍脹情況出現。所以,如若可以對途中含水量進行控制,確保其少過起始凍脹含水量,同時還能避免外來或土在凍結過程中的遷移水分補給,便可以實現對地基土凍脹進行防治的效果。該種方法主要是通過夯實含水量低于塑限的土,隨后采取塑料薄膜進行包裹封閉,將外來水份的補給隔斷后,對已有地基土進行置換來達到對凍脹進行防治的目的。

(3)保溫法。采取具有較大熱阻的隔熱材料,來講負氣溫和地基土的熱交換狀態進行改變,達到降低土凍結的速度,提升土內溫度,將土凍結深度降低,進而實現土體凍脹的防治。在基坑中覆蓋上麥草桔料、松散土等材料能夠起到保溫的作用,進而將凍結深度減小。此外可以運用水凍結成冰過程中有熱量發出的原來,可以將涵閘底板高程減小,造成冬季積水結冰的蓄水保溫法

(4)壓實土法。這種方法是將基坑內的凍脹土挖出,經風干后再重新夯實回填土料以達到抗凍目的。要求夯實土料的密度大于1.6g/cm3,然后在壓實土層上修建工程的基礎。壓實土的回填范圍可參照換填土法確定。此項措施可用于涵閘工程地基防治凍脹及土壩不保溫越冬處理。

(5)排水法。這種方法是采用排出土中水分、降低地下水位,達到防治土體凍服目的。一般排水法是設置排水溝、盲溝、排水孔等。排水防治引水渠線應選在高處并做成填方,盡可能將地下水位降至臨界凍深以下。若地下水位不能降至安全深度,可設置隔水層。渠堤頂面應向外傾斜,以利排除雨雪水。

(6)物理化學方法。物理化學方法防治土體凍脹有多種方法,主要有人工鹽漬化法,用憎水物質改良土法,土的電化學處理法。如用于涵閘的水保溫方法,用于樁柱的雙層油套管和基礎側壁加滑方法,用于擋土墻的柔性加筋墻等方法,還有水工中不常用的熱物理方法(如電針加熱)、化學方法(摻防凍劑)等防凍脹措施,關鍵問題是應根據工程的具體條件,如能采用綜合性防凍措施收效會更為顯著[3]。

3.2 防治凍脹的結構措施

防凍脹破壞設計設計之前,必須查明土質和地下水情況,了解當地氣溫、凍脹、降雪、凍深等有關情況;確定合理的基礎埋置深度；盡量減小平面尺寸,力求結構緊湊；選用剛度大、抵抗不均勻、抗凍脹能力強的結構；除按一般方法設計,使其滿足建筑物強度、剛度、穩定及防滲要求外,還需把各種凍脹力作為外荷載,進行強度、穩定性、變形校核,若滿足不了上述要求,應考慮綜合抗凍措施。

利用建筑物結構的形狀、強度和整休剛度等防御凍脹力的破壞作用,從而保持其穩定和正常運行,可分為對抗性結構措施、適應(凍脹變形)性結構措施、減少與地基接觸性結構措施等.在工程實踐中已有了廣泛應用的擴大式樁、墩基礎(對抗)、枕梁平板橋(適應)、一字型閘(減少)等均為結構措施的典型型式。

4 小結

季節凍土區水工建筑物凍脹破壞明顯,對工程影響較大,本文主要介紹了渠道的凍害破壞原因。根據凍害形式分析其凍害成因,分為內因和外因兩方面,并根據具體結構采取相應的工程措施及結構措施,從而降低凍脹破壞的危害。