渠道襯砌體凍脹破壞機(jī)理與防治對策

1、第1卷第1期2003年3月水利與建筑工程學(xué)報(bào)Jou rnal of W ater R esou rces and A rch itectu ral EngineeringV o l.1N o.1M ar.,2003渠道襯砌體凍脹破壞機(jī)理與防治對策張伯平1,牟過斌2,閆寧霞1(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西楊凌712100;2.渭南市石堡川水庫管理局,陜西渭南715200摘要:試驗(yàn)研究表明,土體凍結(jié)時(shí)的熱篩效應(yīng)和水分遷移引起分凝冰層出現(xiàn),導(dǎo)致土體凍脹。凍結(jié)歷時(shí)的增長不斷增大了凍結(jié)緣的厚度,造成凍脹破壞。所以渠道襯砌體破壞的原因主要是水分入滲和長歷時(shí)凍結(jié)造成的。筆者在研究分析渠道襯砌

2、體凍脹破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上提出“防滲保溫,疏抗結(jié)合,調(diào)節(jié)運(yùn)行,科學(xué)管理”的防治對策及具體措施。關(guān)鍵詞:渠道砌體;凍脹破壞;防治對策中圖分類號:TV698.26文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:16721144(200301001003M echan is m of Frost Heav i ng Fa ilure of Cana l L i n i ngBlocks and W ays to Its Con trolZHAN G Bo2p ing1,M U Guo2b in2,YAN N ing2x ia3(1.Colleg e of H y d rau lic and A rch itectu ra l

3、E ng ineering,N orthw est S ci-T ech U n iversity ofA g ricu ltu re and F orestry,Y ang ling,S haanx i712100,Ch ina;2.S h ibuchuan R eservoirM anag e m en t D ep a rt m en t of W einan C ity,W einan,S haanx i712500,Ch inaAbstract:T he resu lts of exp eri m en tal study show that the cau ses of failu

4、 re of canal lin ing b lock s are the m o istu re infiltrati on and freezing fo r a long ti m e.O n the basis of analysis fo r the failu re m echan is m of fro st heaving of canal lin ing,the p ap er p u ts fo rw ard the p reven tive con tro l w ays and m easu res such as “Seep age Con tro l and H e

5、at In su lating,Com b in ing L oo seness w ith R esistance,R egu lating O p erati on,Sci2 en tific M anagem en t.”Keywords:cana l l i n i ng block;frost heav i ng fa ilure;preven tive con trol way0前言輸水渠道的襯砌是防滲減淤,降低水量損耗,保護(hù)岸坡穩(wěn)定,提高用水效益非常有效的節(jié)水工程措施。但在工程實(shí)踐中,由于陜西省關(guān)中和陜北地處高緯度地區(qū),所以冬季氣溫低。如渭北高原一般低氣溫達(dá)-10左右,最低曾有-

6、21的紀(jì)錄1。這樣所造成的渠道襯砌體凍脹破壞,不但直接影響渠道的正常使用,而且增加修復(fù)次數(shù)和工程費(fèi)用。所以如何防治渠道襯砌體凍脹就是現(xiàn)實(shí)的工程問題。渠道襯砌體凍害問題涉及因素很多,如渠道土體特性,地下水位高低,土壤水分大小,砌體材料性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、幾何尺寸、止水排水措施以及當(dāng)?shù)囟練鉁睾蜏夭钭兓取⑶蓝臼褂们闆r和管理水平等等。但筆者認(rèn)為事物總有其本質(zhì)屬性和主要矛盾,要解決凍脹破壞問題,首先應(yīng)從凍脹破壞機(jī)理研究入手,并找出楔入點(diǎn),再尋求防治對策和措施才是主要的。1渠道襯砌體凍脹破壞機(jī)理渠道襯砌體的凍害主要是砌體下土體的凍脹引起的,土體凍脹是多向性,只是側(cè)向相互平衡了,所以才形成垂直向上的現(xiàn)

7、象。對土顆粒位移的熱篩效應(yīng)及對流遷移理論分析知2,寒區(qū)地表土層由于氣溫年周期波動產(chǎn)生反復(fù)凍結(jié)和融化,導(dǎo)致土體坡面再造。這種再造現(xiàn)象突出表現(xiàn)在三個(gè)方面:一是由于水分遷移引起分凝冰層出現(xiàn),導(dǎo)致土體凍脹;二是伴隨水分遷移產(chǎn)生溶質(zhì)遷移,引起土層中高濃度帶出現(xiàn),導(dǎo)致土層中融弱層的產(chǎn)生;三是內(nèi)外應(yīng)力作用下土顆粒位移,引起冷生剖面的變化,導(dǎo)致土體性質(zhì)改變及部分不良物理地質(zhì)現(xiàn)象出現(xiàn)。收稿日期:2002211215作者簡介:張伯平(1945,男(漢族,教授、碩士生導(dǎo)師,一直從事巖土力學(xué)與工程的教學(xué)與研究工作。眾所周知,土是多孔、多相的松散介質(zhì),其組成物如礦物顆粒,有機(jī)質(zhì),孔隙水和氣在孔間上排列與組合一般是無序的

8、,即具有隨機(jī)性。凍結(jié)作用對土體施加外力使土體凍脹,原因是水的密度為1t m3,冰的密度為0.92t m3,當(dāng)土中水一旦凍成冰,體積要膨脹9%,從而產(chǎn)生凍脹力排開土顆粒。土體孔隙水中自由水不受土顆粒電分子引力束縛,容易凍結(jié),孔隙水中的結(jié)合水(或稱薄膜水、吸著水因受土粒電分子引力束縛強(qiáng),不易凍結(jié)。土顆粒越細(xì)則電分子引力束縛越強(qiáng),凍結(jié)越緩慢,因此土體凍結(jié)過程中大孔隙中自由水先凍結(jié),把土體中大顆粒土粒先抬起,隨后小孔隙中水的凍結(jié)將大顆粒持續(xù)向上抬升,造成凍結(jié)過程中土顆粒垂直位移現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為熱篩效應(yīng)2。同時(shí)土體凍結(jié)過程中,會出現(xiàn)水分向冷鋒面遷移現(xiàn)象,當(dāng)遷移水流達(dá)到一定流速時(shí)會產(chǎn)生微粒土顆粒的遷移,

9、稱為對流遷移2。其次凍結(jié)力會使土顆粒及孔隙在空間排列和組合由本來的無序性(即隨機(jī)性逐漸變得有序,減小土體密度,使土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)相對降低,影響渠道岸坡穩(wěn)定性。試驗(yàn)表明3,凍結(jié)緣的厚度隨凍結(jié)歷時(shí)的變化而變化,分凝冰層的水分均由凍結(jié)緣取自未凍區(qū)域。分凝冰層位置最易在無結(jié)構(gòu)聯(lián)系處出現(xiàn),且分凝冰層溫度隨冷鋒面溫度降低而降低,一般凍結(jié)期間,體系內(nèi)可形成多層分凝冰層。在有結(jié)構(gòu)聯(lián)系體系內(nèi),根據(jù)水分遷移原理和凍土中冰水平衡原理,一方面,在溫度梯度引起的未凍水勢梯度作用下,凍結(jié)體系中未凍水源不斷地從高溫端向低溫端遷移。另一方面凍結(jié)體系內(nèi)不同位置處的溫度,使該處具有與該溫度相對應(yīng)的未凍水含量,對于遷移未凍水到該處

10、將以冰的形式出現(xiàn),體積增大,當(dāng)體積增大受到約束則產(chǎn)生膨脹力。一但剪應(yīng)力大于材料抗剪強(qiáng)度,則產(chǎn)生剪切破壞,并在該處形成分凝冰層,這就是土體中分凝冰層和土體凍脹的形成機(jī)理。根據(jù)凍結(jié)的疊加性4,分凝冰層的生長與該處溫度及溫度梯度關(guān)系密切,溫度低且梯度大處能促使形成新冰層且快速發(fā)育,試驗(yàn)表明,總凍脹量(等于分層凍脹量的總和與凍結(jié)歷時(shí)的平方根成正比,凍結(jié)區(qū)的溫度梯度隨凍結(jié)歷時(shí)按指數(shù)規(guī)律變化。2關(guān)中地區(qū)渠道襯砌體凍脹破壞規(guī)律關(guān)中地區(qū)灌溉渠道冬季一般有12次冬灌輸水過程,停水時(shí)土體處于高含水狀態(tài),又往往是最冷季節(jié)。這時(shí)渠道輸水使大量水分滲入土體,使砌體下土體水分增大。冷空氣的侵襲,使土體水分遷移引起分凝冰層

11、產(chǎn)生,導(dǎo)致土體凍脹和融弱層的出現(xiàn)及冷鋒面的變化,破壞土體原結(jié)構(gòu)。長期的低溫,使土體表層與深層冷暖面溫差越來越大,凍結(jié)緣不斷將未凍區(qū)域水分遷移到冰凝層,使凍結(jié)緣越來越厚,在地下水位較高地域更嚴(yán)重。冰體使土體體積膨脹增大,受到襯砌體的約束而產(chǎn)生膨脹力。當(dāng)襯砌體厚度薄,強(qiáng)度小,整體性差時(shí),難以抵抗過大的凍脹力,便發(fā)生剝蝕掉片和裂縫現(xiàn)象,使襯砌體結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí)由于土體內(nèi)外應(yīng)力作用使土顆粒位移,引起冷鋒面的變化。加之凍結(jié)歷時(shí)增長而引起凍結(jié)緣變化和多層冰凝層的形成并快速發(fā)育,使剪應(yīng)力超過襯砌體抗剪強(qiáng)度,便發(fā)生襯砌體折斷或溜坡。所以關(guān)中地區(qū)渠道襯砌體凍害規(guī)律呈現(xiàn)為陰坡比陽坡嚴(yán)重。凍結(jié)歷時(shí)長的年份比凍結(jié)歷時(shí)短

12、的年份嚴(yán)重。襯砌體薄而整體性差的凍害越嚴(yán)重,有地下水或外圍水補(bǔ)給水分的渠道襯砌體凍害最嚴(yán)重。3渠道襯砌體凍脹破壞的防治對策從以上分析可以將渠道襯砌體凍脹破壞的原因歸納為4方面:(1土體的多孔松散特征形成水分存在和遷移空間;(2灌溉輸水水分的入滲增大土體含水量,甚至使土體水分飽和,造成析冰的條件;(3冬季寒冷,持續(xù)低溫冷空氣的侵襲,造成土體凍層和未凍層(包括地下水水分遷移、分凝冰層形成與發(fā)育而引起凍脹;(4對凍脹和凍害的防護(hù)條件不夠。由此,可總結(jié)得出渠道襯砌體凍脹破壞防治對策為“防滲保溫,疏抗結(jié)合,調(diào)節(jié)運(yùn)行,科學(xué)管理”的十六字方針。所謂“防滲保溫”是從源頭防治凍害的對策。眾所周知,關(guān)中地區(qū)土體屬

13、粘性土體,其性質(zhì)受水的影響敏感,透水性相對較差,排水效果緩慢。滯溜在土體中的孔隙水在零度以下容易結(jié)冰,而且孔隙水結(jié)冰后,隨溫度降低和凍結(jié)歷時(shí)增長產(chǎn)生溫度梯度引起水分遷移。尤其在開敞式條件下非凍結(jié)土體中的水份或地下水還能源源不斷向凍層遷移,使結(jié)冰層體積不斷增大,凍脹率增加。在封閉式條件下若不考慮地下水遷移,設(shè)凍脹過程中遷移入滲水量為Q,水結(jié)冰后體積增加9%,可得土體一般簡單的凍脹量計(jì)算公式:H V=Q w(1+0.09(1根據(jù)含水量定義公式:w=W w W s式中,w土體含水量;W w土體中水的質(zhì)量; W s土體中土粒質(zhì)量。設(shè)土體飽和度S r=V wV V,則Q w=W=V w4=S r V V

14、 w411第1期張伯平等:渠道襯砌體凍脹破壞機(jī)理與防治對策=S r n V w4(2取凍結(jié)土層厚度為H1,凍結(jié)體單位面積A=1,則Q w=n S r A H1 w4=n S r H1 w4(3將(3式代入公式(1則得凍脹量計(jì)算公式:H V=n S r H1 w4(1+0.09(4當(dāng)土體飽和時(shí)S r=1,則:H V=nH14(1+0.09(5該式雖然不能作為準(zhǔn)確的凍脹量計(jì)算公式,但它可以反映出土體凍脹量與土體孔隙率n,土體飽和度S r,土體凍結(jié)厚度H1有關(guān),并且均成正比關(guān)系。即增大土體填筑密度,使孔隙率減小,降低土體飽和度,減小土體凍結(jié)厚度都可以使土體的凍脹量大大降低。溫度的影響可以從下列試驗(yàn)結(jié)

15、果定量分析3試驗(yàn)序號邊界條件試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間H h冰層層數(shù)冰層厚度 mm冰分凝溫度從表中可以看出隨著邊界條件低溫值的降低和凍結(jié)歷時(shí)的增長,土體中冰層層數(shù)和冰層厚度急驟增大冰分凝溫度值也大大降低。綜上所述,說明增大土體填筑密度、隔離土體水份遷移和加強(qiáng)保溫措施,以及削減凍脹力都是防治凍脹最有效的措施。所謂“疏抗結(jié)合”是指對于凍脹和凍脹力應(yīng)采取先疏導(dǎo)后抵抗的方法。所謂先疏導(dǎo)是指因勢利導(dǎo),主動適應(yīng)的積極方法。因?yàn)橥馏w的總凍脹量與凍結(jié)歷時(shí)的平方根成正比3,凍脹力是與分凝冰層的層數(shù)和冰層厚度成正比發(fā)育,也與凍結(jié)歷時(shí)直接有關(guān)。為此應(yīng)該采用變被動抵抗為主動疏導(dǎo)削減的辦法,即改變砌體材料或砌體組成結(jié)構(gòu),以柔克剛來削

16、減、疏導(dǎo)其凍脹力,例如用砂礫墊層等即為有效的措施。然后在疏導(dǎo)的基礎(chǔ)上再采用抵抗的方法。所謂“調(diào)節(jié)運(yùn)行,科學(xué)管理”是指根據(jù)當(dāng)?shù)亟Y(jié)凍期的時(shí)間調(diào)節(jié)冬灌時(shí)間。根據(jù)天氣預(yù)報(bào)和當(dāng)?shù)貧鉁馗淖兂跛诤屯Ｋ掌?使冰凍期渠道處于干燥無水,減小凍結(jié)內(nèi)因,避免凍脹。或者不間歇輸水,達(dá)到一定流速的水流在-10以上可防止渠道土體凍結(jié)。具體辦法是在凍結(jié)期以前灌溉,使土體含水量在冰結(jié)期以前降低至非飽和狀態(tài),或者凍結(jié)期不間歇地輸水灌溉,直到凍結(jié)期后,使渠道土體始終處于動水影響下,防止渠道土體凍脹。當(dāng)然用此管理調(diào)節(jié)運(yùn)行減小凍脹只適用于氣溫不很低的情況,實(shí)踐證明,一般在關(guān)中地區(qū)氣溫不低于-10是很有效的。但在這方面還需要通過實(shí)驗(yàn)

17、和實(shí)踐,摸索適合當(dāng)?shù)厍闆r行之有效的調(diào)節(jié)運(yùn)行方案和管理經(jīng)驗(yàn)。4結(jié)論根據(jù)以上防治對策,遵循“先防后疏再抗”的指導(dǎo)思想,可以探討防治渠道襯砌體凍害的一系列具體措施。(1為了防滲保溫,應(yīng)提高土體壓實(shí)度,增大土體密度,減少土體孔隙率和土體滲透性,提高襯砌體防滲效果,減少水分入滲,降低土體浸潤線,同時(shí)改變砌體材料和結(jié)構(gòu),提高保溫效果。(2在防滲保溫的基礎(chǔ)上,在襯砌體下設(shè)無砂混凝土或粗砂礫透水層,或做反濾體及透水土工織物。既能加強(qiáng)透水排水,減小土體水分和孔隙水壓力,起換土作用和削減凍深,又能利用其顆粒排列與組合的隨機(jī)性給土體凍脹和凍脹力以疏導(dǎo)消能,消納或部分消除對襯砌體作用的凍脹力。(3在先防后疏的前提下,再設(shè)法提高襯砌體抗凍脹能力,這方面各地總結(jié)了不少經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,如提高混凝土標(biāo)號,改變砌體結(jié)構(gòu),陰陽坡面襯砌區(qū)別對待,以變截面,肋板結(jié)合,曲面襯砌形式和提高截面慣量,增強(qiáng)抗變形能力1等等。由于篇幅所