宁夏灌区渠道和其水工建筑物冻害破坏原因和防治措施

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1、宁夏灌区渠道和其水工建筑物冻害破坏原因和防治措施【摘要】宁夏属季节性冻土区，在冻胀和冻融作用下,渠道运行中屡次出现混凝土板衬砌渠道和水工建筑物冻胀破坏现象，耗费大量的人力物力，影响渠道的行水安全。分析了渠道及其水工建筑物破坏的种类及原因，总结了冻胀破坏的特点。为了防止渠道及水工建筑物在冻融和冻胀作用下遭受破坏，通过不断总结实践经验，提出从勘察、设计、施工工艺和运行管理等方面入手，避免或减少渠道及其水工建筑物的冻害破坏。【关键词】渠道；冻害；机理；冻害类型；防治措施宁夏引黄灌区属半干旱与干旱气候的过渡地带，灌区气候雨少风多，蒸发强烈，年均气温8.9

2、°C,最高气温超过36.71,最低气温-24°Co灌区地质多为壤土或沙壤土，土壤冻结期在120d以上，冻土深度50〜90cm左右，属季节性冻土区。因冻胀使衬砌渠道和水工建筑物均有不同程度地破坏，特别是地下水位较高的地区，冻胀破坏尤为严重，致使工程效益不能充分发挥，影响渠道的行水安全。为了防治混凝土衬砌渠道和水工建筑物破坏，通过总结冻胀破坏的特点、分析冻胀破坏因素，进一步优化规划设计，提高施工质量水平，完善渠道运行管理，探索出适合我区引黄灌区衬砌渠道及其水工建筑物冻胀破坏的防治措施。1.冻害破坏机理渠道及其水工建筑物的冻害包括地基土冻胀和混凝土冻胀

3、。1.1地基土冻胀在低温作用下，在混凝土衬砌板下部，基土（土壤）中水分冻结后，土体体积增大，产生冻结力。然而，在土体冻结的过程中，土层通过其中的水分冻结成冰产生的胶结力，将土颗粒与其上部的混凝土衬砌板紧密地胶结存一起，这种胶结力称为土与混凝土衬砌板之间的冻结强度，这使得混凝土衬砌板与紧接其下部的冻土层表面紧紧黏接，因此混凝土板衬砌阻止冻土层体积的膨胀变形，冻土层冻胀产生的土应力增加到混凝土板极限强度时，混凝土衬砌便首先发生裂缝，即勾缝发生裂缝，随后，冻土层的变形继续增加，相继发生隆起、断裂、位移、滑塌的破坏形式。1.2混凝土冻胀渠道及其建筑物上的

4、水冻成冰后，由于冰体的膨胀作用对其部位形成破坏。渠道及其建筑物混凝土或钢筋混凝土在负温条件下，水泥的细小颗粒或钢筋失热的速度特别快，首先冷却，混凝土结构孔隙中一旦有水分充填，当气温下降到起始冻结点时，就以水颗粒或钢筋为冻结锋面吸附未结冰的水，形成混凝土冻结膨胀，使混凝土的结构变形破坏。同样在较温和地区，混凝土随冻土循环次数、水分饱和等条件变化，存在着混凝土的冻融破坏。2•灌区渠道的冻害类型（1）不同防渗材料修建的渠道防渗层本身，除膜料防渗层外，均含有或多或少的自由水，这种水在负气温下结冰后，每lcm3体积增大0.09m3；尤其是防渗层一般具有一定

5、的吸水性，加之渠道防渗工程经常处于有水的环境中，因此,防渗层又吸入了一定量的水分，而此部分水在负温下结冰后，每lcm3体积变为1.09cm3o因此，由于防渗层本身原有的水或吸（渗）入的水，在负气温下结冰后体积的膨胀使防渗层强度降低，结构破坏，产生裂缝，甚至溃散。（2）引水式泵站和调水工程的渠道，如引黄工程等，常需在负温下输水运行。此时渠水即会结冰。开始时只是冰屑和小冰块，随水流而动，它会像刀片一样，反复撞击和切割水面变化区渠坡的防渗层，使其受到不同程度的破坏。在寒冷的气温下，冰屑（块）先与渠坡冻结形成岸冰，再向渠中心延伸而形成冰层，水在冰层下运行

6、。如上游水中的来冰量大于排冰量时，冰屑（块）将淤积于某一渠道断面处，使过水断面减少，如此继续，渠将被冰封堵，形成冰坝，即会造成水源漫溢，甚至溃渠的事故。同时，冰层的膨胀，又会因其冰推力而使渠坡防渗层位移和破坏。在来年消融后，当渠中部冰层融断，仅留与渠坡冻结在一起的悬臂式冰层，且无水浮托时，此悬臂冰体因自重而会将防渗层拉起、错位而破坏。(3)当渠道防渗工程的基础土壤为冻胀性土，且其含水量大于起始冻胀含水量时，在冬季负温的作用下，由于渠道基土中水冻结后体积的增大，使基土发生隆起，称其为冻胀变形。当冻胀变形量超过防渗层的允许变形量时，或因冻胀而产生的冻

7、胀力超过防渗层的抗裂或抗拉强度时，防渗层即会裂缝破坏。尤其严重的是在渠基土冻结期间，往往由于地下水位较高，或因周围有水源补给时，将会有大量的水向冻结锋面转移和结冰，由于迁移的水分产生的基土冻胀量远远大于基土含水量所产生的冻胀量，故其冻害也大于前者。同时，在次年融化后，刚性材料渠道防渗层其裂缝宽度可能有所缩小、隆起高度有所下降，但不可能恢复原状，将有残留变形存在即剩余冻胀量。如不及时维修和处理，并继续输水运行，则其冻害将逐年加剧，直至破坏，完全失去工程效益。上述3类渠道防渗工程的冻害虽然是并列的，但对工程的危害程度是不同的。就冬季不行水的渠道而言，

8、第3类冻害是基本的和主要的；而对于冬季行水的渠道，因渠水有保温作用，故冻害以第2类为主；另外，对具体的工程来说，其冻害不是某一类冻害单一