渠道冻胀处理方式的选择

渠道冻胀处理方式的选择 渠道冻胀处理方式的选择 渠道冻胀处理方式的选择

摘要:通过分析研究,渠道的冻胀破坏是由土壤中的水、土体颗粒物理性质和负温所致,大多发生在灌区的中下部。渠道防冻胀处理可通过改变渠道结构形式、改变渠基土体的基本结构、使用新型建筑材料等方法来实现。对渠道防冻胀处理方式的选择,关系到渠道的造价和施工的难易,在今后的渠道设计与施工中不断地总结经验,进一步完善新型材料的防冻理论和实际运用经验,为这一新型防冻材料的大面积推广应用提供条件。

关键词:渠道 冻胀 处理方式 选择

1、概述

2、渠道冻胀机理

渠道冻胀破坏是由于渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌而形成,渠基土受冻体积膨胀必须具备以下条件:

⑴寒冷气候区持续的负温条件;

⑵土壤中自由水和毛细水的存在,并且有通畅的水分补给通道;

⑶土壤本身的物理力学性质,包括土的颗粒组成,矿物质成份等。

在以上三个条件中,土壤中自由水和毛细水的存在是冻胀发生的的先决条件,也是必备条件。在整个浆胀破坏过程中,水是最活跃的因素。

从目前受冻胀破坏的渠道来看,基本上位于灌区内,且处于灌区中、下游的居多。这是因为在灌区中下游地区,地下水埋深浅,土壤颗粒细,土体中自由水和毛细水的补给十分充足。一旦气温下降至零度以下,土体中的自由水和毛细水的体积受冻膨胀,引起土体膨胀,顶托衬砌,破坏渠道。

在河区下部,冻胀破坏不但发生在挖方渠道中,在半挖半填渠道中也普遍存在。由此可以看出,毛细水的冻胀性也不容忽视。

综上所述,冻胀破坏是寒冷地区渠道建设中的一大难题,由土壤中的水、土体颗粒物理性质和负温所致,大多发生在灌区的中下部。

3、渠道防冻胀处理形式及比较

3.1渠道防冻胀处理形式

渠道防冻胀处理可通过改变渠道结构形式来实现,即用“U”形或矩形断面来代替梯形断面。但这种处理形式只适用于小渠道,流量小于1m3/s的渠道。对于大渠道来说,若采用这种处理方式,难免造成造价和施工难度的加大,加大的幅度还较大。

从上述导致土体冻胀的的三个基本因素中,只有三个因素同时具备,才发生冻胀破坏。只要消除其中一个因素,就能防止和减轻冻胀危害。从目前新疆地区的气候条件来看,外部温度不达负温是不可能的,因此只有采取保温措施达到内部不负温。切断冻土地基在冻结前、后的水分补给是过去防冻胀处理常用的法,此外改变渠基土体的基本结构也是保证土体非冻胀性的一种方法。 改变基土的基本结构的办法是进行渠基土的换填,就是用大颗粒的土体填入渠基,将原来的细颗粒土体挖走。这种换填工程量较大,换填厚度一般要大于等于冻土深度。如果在冻土深小的地区使用尚可,若在冻土深较大的地区使用,往往工程量是巨大的。

从目前情况看,任何工程要根本回避和解决冻胀三因素之一,从考虑经济和投资省的情况下,都是非常困难和把握不住的。因此在实际工作中,往往将几种工程措施结合起来使用。即以回避一种因素为主,辅之以回避另一种因素的综合措施进行防冻胀处理。如在汇要两面三刀侧开挖排水沟降供销水分补给的同时,对基土进行一定厚度的换填。用砂或戈壁层加塑膜进行保温,以减少冻胀破坏。

近来随着新型建筑材料的问世,苯板越来越多地应用于渠道的防冻胀处理。苯板防冻胀的主要机理是它具有保温的功效,保证了渠基土不受负温的影响,同上述砂或戈壁层加塑膜保温的原理是一样的。根据现有对苯板的搞冻试验资料,10cm厚的苯板可起到100cm厚砂或戈壁层的保温效果。远大于相当于5~10cm厚戈壁、砂的塑膜的保温效果。

3.2渠道防冻胀处理形式比较

在高地下水位区,即使采取了断绝土壤中水分补给的措施,仍难以保证阻止毛细水的上升,因此还必须采取其它防冻胀处理形式。

对渠基土进行换填是一种防冻胀的处理形式,它即改变了渠基土的结构,又具有一定的保温作用。它的优点是:①当渠道附近有大量换填材料时,造价可能便宜;②由于对渠基进行了彻底换填,当质量达到要求时,可保证渠道永久不受冻胀危害。同时也具有以下缺点:①由于换填厚度大,土方工程量较大,当换填材料运距较远时,造价较高;②施工难度大,清除了渠基原土,换填后的砂、戈壁难以进行夯实,要达到施工规范要求,难度较大;③换填料的质量难以把握,要求回填含土量小于5%的料。采用天然材料,很难寻找料源。若采用人工加工料,则不经济。

若不采用基土回填,只铺设苯板保温,防止渠基土冻胀也是近年来渐渐采用的一种防冻胀处理形式。它只有保温作用,不对基土进行回填。具有以下优点:①抗冻效果好,采用10cm的苯板即达到了换填100cm砂或戈壁的保温效果;②施工方便,渠道开挖断在小。不对基土进行拢动,直接将苯板置于基土上,在苯板上直接进行衬砌材料的施工;③在一定条件下造价便宜,使用的施工机械少,人工省。采用苯板,不进行基土换填,避免了大量土石方机械的使用。当基土换填材料运距大于一定距离时,其造价低的优势立即显现。苯板防

冻胀材料的缺点是:在一定条件下,同换填相比,造价较高。当基土换填材料运距小于一定距离时,其造价明显高于换填处理。

拿开都河第一分水枢纽北岸干渠为例。该渠道为开都河第一分水枢纽配套输水渠,长km,输水流量m3/s。

4、苯板防冻胀成功几例

4.1库塔干渠西干渠 西干渠为梯形断面,渠深3.3m,底宽2.15m,边坡为1:1.5,水深为2.59m。两边渠堤宽度为2.5m,渠道外边坡也为1:1.5。渠道衬砌采用70mm厚的C20预制砼板,砼板下部为60mm厚的苯板用于防冻胀。

渠基土为粉细沙,颗粒细,保水性好,属冻胀土。经苯板防冻胀处理后,经过8年的运行,未发生冻胀破坏。

4.2开都河第一分水枢纽北岸干渠 4.3尉犁县塔里木北干渠