渠道衬砌体冻胀破坏机理与防治对策

1、第1卷第1期2003年3月水利与建筑工程学报Jou rnal of W ater R esou rces and A rch itectu ral EngineeringV o l.1N o.1M ar.,2003渠道衬砌体冻胀破坏机理与防治对策张伯平1,牟过斌2,闫宁霞1(1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西杨凌712100;2.渭南市石堡川水库管理局,陕西渭南715200摘要:试验研究表明,土体冻结时的热筛效应和水分迁移引起分凝冰层出现,导致土体冻胀。冻结历时的增长不断增大了冻结缘的厚度,造成冻胀破坏。所以渠道衬砌体破坏的原因主要是水分入渗和长历时冻结造成的。笔者在研究分析渠道衬砌

2、体冻胀破坏机理的基础上提出“防渗保温,疏抗结合,调节运行,科学管理”的防治对策及具体措施。关键词:渠道砌体;冻胀破坏;防治对策中图分类号:TV698.26文献标识码:A文章编号: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前言输水渠道的衬砌是防渗减淤,降低水量损耗,保护岸坡稳定,提高用水效益非常有效的节水工程措施。但在工程实践中,由于陕西省关中和陕北地处高纬度地区,所以冬季气温低。如渭北高原一般低气温达-10左右,最低曾有-

6、21的纪录1。这样所造成的渠道衬砌体冻胀破坏,不但直接影响渠道的正常使用,而且增加修复次数和工程费用。所以如何防治渠道衬砌体冻胀就是现实的工程问题。渠道衬砌体冻害问题涉及因素很多,如渠道土体特性,地下水位高低,土壤水分大小,砌体材料性能和结构强度、几何尺寸、止水排水措施以及当地冬季气温和温差变化幅度、渠道冬季使用情况和管理水平等等。但笔者认为事物总有其本质属性和主要矛盾,要解决冻胀破坏问题,首先应从冻胀破坏机理研究入手,并找出楔入点,再寻求防治对策和措施才是主要的。1渠道衬砌体冻胀破坏机理渠道衬砌体的冻害主要是砌体下土体的冻胀引起的,土体冻胀是多向性,只是侧向相互平衡了,所以才形成垂直向上的现

7、象。对土颗粒位移的热筛效应及对流迁移理论分析知2,寒区地表土层由于气温年周期波动产生反复冻结和融化,导致土体坡面再造。这种再造现象突出表现在三个方面:一是由于水分迁移引起分凝冰层出现,导致土体冻胀;二是伴随水分迁移产生溶质迁移,引起土层中高浓度带出现,导致土层中融弱层的产生;三是内外应力作用下土颗粒位移,引起冷生剖面的变化,导致土体性质改变及部分不良物理地质现象出现。收稿日期:2002211215作者简介:张伯平(1945,男(汉族,教授、硕士生导师,一直从事岩土力学与工程的教学与研究工作。众所周知,土是多孔、多相的松散介质,其组成物如矿物颗粒,有机质,孔隙水和气在孔间上排列与组合一般是无序的

8、,即具有随机性。冻结作用对土体施加外力使土体冻胀,原因是水的密度为1t m3,冰的密度为0.92t m3,当土中水一旦冻成冰,体积要膨胀9%,从而产生冻胀力排开土颗粒。土体孔隙水中自由水不受土颗粒电分子引力束缚,容易冻结,孔隙水中的结合水(或称薄膜水、吸着水因受土粒电分子引力束缚强,不易冻结。土颗粒越细则电分子引力束缚越强,冻结越缓慢,因此土体冻结过程中大孔隙中自由水先冻结,把土体中大颗粒土粒先抬起,随后小孔隙中水的冻结将大颗粒持续向上抬升,造成冻结过程中土颗粒垂直位移现象,这种现象称为热筛效应2。同时土体冻结过程中,会出现水分向冷锋面迁移现象,当迁移水流达到一定流速时会产生微粒土颗粒的迁移,

9、称为对流迁移2。其次冻结力会使土颗粒及孔隙在空间排列和组合由本来的无序性(即随机性逐渐变得有序,减小土体密度,使土体抗剪强度参数相对降低,影响渠道岸坡稳定性。试验表明3,冻结缘的厚度随冻结历时的变化而变化,分凝冰层的水分均由冻结缘取自未冻区域。分凝冰层位置最易在无结构联系处出现,且分凝冰层温度随冷锋面温度降低而降低,一般冻结期间,体系内可形成多层分凝冰层。在有结构联系体系内,根据水分迁移原理和冻土中冰水平衡原理,一方面,在温度梯度引起的未冻水势梯度作用下,冻结体系中未冻水源不断地从高温端向低温端迁移。另一方面冻结体系内不同位置处的温度,使该处具有与该温度相对应的未冻水含量,对于迁移未冻水到该处

10、将以冰的形式出现,体积增大,当体积增大受到约束则产生膨胀力。一但剪应力大于材料抗剪强度,则产生剪切破坏,并在该处形成分凝冰层,这就是土体中分凝冰层和土体冻胀的形成机理。根据冻结的叠加性4,分凝冰层的生长与该处温度及温度梯度关系密切,温度低且梯度大处能促使形成新冰层且快速发育,试验表明,总冻胀量(等于分层冻胀量的总和与冻结历时的平方根成正比,冻结区的温度梯度随冻结历时按指数规律变化。2关中地区渠道衬砌体冻胀破坏规律关中地区灌溉渠道冬季一般有12次冬灌输水过程,停水时土体处于高含水状态,又往往是最冷季节。这时渠道输水使大量水分渗入土体,使砌体下土体水分增大。冷空气的侵袭,使土体水分迁移引起分凝冰层

11、产生,导致土体冻胀和融弱层的出现及冷锋面的变化,破坏土体原结构。长期的低温,使土体表层与深层冷暖面温差越来越大,冻结缘不断将未冻区域水分迁移到冰凝层,使冻结缘越来越厚,在地下水位较高地域更严重。冰体使土体体积膨胀增大,受到衬砌体的约束而产生膨胀力。当衬砌体厚度薄,强度小,整体性差时,难以抵抗过大的冻胀力,便发生剥蚀掉片和裂缝现象,使衬砌体结构破坏。同时由于土体内外应力作用使土颗粒位移,引起冷锋面的变化。加之冻结历时增长而引起冻结缘变化和多层冰凝层的形成并快速发育,使剪应力超过衬砌体抗剪强度,便发生衬砌体折断或溜坡。所以关中地区渠道衬砌体冻害规律呈现为阴坡比阳坡严重。冻结历时长的年份比冻结历时短

12、的年份严重。衬砌体薄而整体性差的冻害越严重,有地下水或外围水补给水分的渠道衬砌体冻害最严重。3渠道衬砌体冻胀破坏的防治对策从以上分析可以将渠道衬砌体冻胀破坏的原因归纳为4方面:(1土体的多孔松散特征形成水分存在和迁移空间;(2灌溉输水水分的入渗增大土体含水量,甚至使土体水分饱和,造成析冰的条件;(3冬季寒冷,持续低温冷空气的侵袭,造成土体冻层和未冻层(包括地下水水分迁移、分凝冰层形成与发育而引起冻胀;(4对冻胀和冻害的防护条件不够。由此,可总结得出渠道衬砌体冻胀破坏防治对策为“防渗保温,疏抗结合,调节运行,科学管理”的十六字方针。所谓“防渗保温”是从源头防治冻害的对策。众所周知,关中地区土体属

13、粘性土体,其性质受水的影响敏感,透水性相对较差,排水效果缓慢。滞溜在土体中的孔隙水在零度以下容易结冰,而且孔隙水结冰后,随温度降低和冻结历时增长产生温度梯度引起水分迁移。尤其在开敞式条件下非冻结土体中的水份或地下水还能源源不断向冻层迁移,使结冰层体积不断增大,冻胀率增加。在封闭式条件下若不考虑地下水迁移,设冻胀过程中迁移入渗水量为Q,水结冰后体积增加9%,可得土体一般简单的冻胀量计算公式:H V=Q w(1+0.09(1根据含水量定义公式:w=W w W s式中,w土体含水量;W w土体中水的质量; W s土体中土粒质量。设土体饱和度S r=V wV V,则Q w=W=V w4=S r V V

14、 w411第1期张伯平等:渠道衬砌体冻胀破坏机理与防治对策=S r n V w4(2取冻结土层厚度为H1,冻结体单位面积A=1,则Q w=n S r A H1 w4=n S r H1 w4(3将(3式代入公式(1则得冻胀量计算公式:H V=n S r H1 w4(1+0.09(4当土体饱和时S r=1,则:H V=nH14(1+0.09(5该式虽然不能作为准确的冻胀量计算公式,但它可以反映出土体冻胀量与土体孔隙率n,土体饱和度S r,土体冻结厚度H1有关,并且均成正比关系。即增大土体填筑密度,使孔隙率减小,降低土体饱和度,减小土体冻结厚度都可以使土体的冻胀量大大降低。温度的影响可以从下列试验结

15、果定量分析3试验序号边界条件试验持续时间H h冰层层数冰层厚度 mm冰分凝温度从表中可以看出随着边界条件低温值的降低和冻结历时的增长,土体中冰层层数和冰层厚度急骤增大冰分凝温度值也大大降低。综上所述,说明增大土体填筑密度、隔离土体水份迁移和加强保温措施,以及削减冻胀力都是防治冻胀最有效的措施。所谓“疏抗结合”是指对于冻胀和冻胀力应采取先疏导后抵抗的方法。所谓先疏导是指因势利导,主动适应的积极方法。因为土体的总冻胀量与冻结历时的平方根成正比3,冻胀力是与分凝冰层的层数和冰层厚度成正比发育,也与冻结历时直接有关。为此应该采用变被动抵抗为主动疏导削减的办法,即改变砌体材料或砌体组成结构,以柔克刚来削

16、减、疏导其冻胀力,例如用砂砾垫层等即为有效的措施。然后在疏导的基础上再采用抵抗的方法。所谓“调节运行,科学管理”是指根据当地结冻期的时间调节冬灌时间。根据天气预报和当地气温改变初水期和停水日期,使冰冻期渠道处于干燥无水,减小冻结内因,避免冻胀。或者不间歇输水,达到一定流速的水流在-10以上可防止渠道土体冻结。具体办法是在冻结期以前灌溉,使土体含水量在冰结期以前降低至非饱和状态,或者冻结期不间歇地输水灌溉,直到冻结期后,使渠道土体始终处于动水影响下,防止渠道土体冻胀。当然用此管理调节运行减小冻胀只适用于气温不很低的情况,实践证明,一般在关中地区气温不低于-10是很有效的。但在这方面还需要通过实验

17、和实践,摸索适合当地情况行之有效的调节运行方案和管理经验。4结论根据以上防治对策,遵循“先防后疏再抗”的指导思想,可以探讨防治渠道衬砌体冻害的一系列具体措施。(1为了防渗保温,应提高土体压实度,增大土体密度,减少土体孔隙率和土体渗透性,提高衬砌体防渗效果,减少水分入渗,降低土体浸润线,同时改变砌体材料和结构,提高保温效果。(2在防渗保温的基础上,在衬砌体下设无砂混凝土或粗砂砾透水层,或做反滤体及透水土工织物。既能加强透水排水,减小土体水分和孔隙水压力,起换土作用和削减冻深,又能利用其颗粒排列与组合的随机性给土体冻胀和冻胀力以疏导消能,消纳或部分消除对衬砌体作用的冻胀力。(3在先防后疏的前提下,再设法提高衬砌体抗冻胀能力,这方面各地总结了不少经验可以借鉴,如提高混凝土标号,改变砌体结构,阴阳坡面衬砌区别对待,以变截面,肋板结合,曲面衬砌形式和提高截面惯量,增强抗变形能力1等等。由于篇幅所