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三义寨灌区渠道混凝土冬季施工病害机理研究

2024-11-18 84 上传者：管理员

摘要：近年来，在对三义寨引黄灌区大型渠道工程冬季施工过程中，经常发现降雪及融雪造成渠道混凝土衬砌板发生严重的开裂，这严重影响着工程的质量，危及灌区用水安全。为了弄清灌区冬季施工中渠道混凝土衬砌板开裂的影响，文中采用理论分析和试验研究两种方法，建立了渠道底板混凝土板与基土相互约束受力模型，计算了因渠基土体冻胀作用而对渠底混凝土产生的应力，并通过开展混凝土的冻融试验，测试了经历冻融劣化作用后混凝土的抗拉强度。研究表明：融雪导致灌区渠道基土冻胀，冻胀力造成混凝土板体表面局部张力超过冻融后混凝土的抗拉强度，致使混凝土表面的拉应变超过混凝土的极限拉应变，是造成渠道混凝土衬砌板发生严重的开裂的根本原因。在渠道的关键部位采用纤维混凝土技术、做好施工过程中排水，合理控制地下水位，能够确保渠道施工质量和安全。

关键词：
冬季施工
冻胀作用
冻融循环
混凝土开裂
纤维混凝土
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近年来，北方地区相继启动了黄河流域的三义寨等大型引黄灌区“十四五”续建配套与现代化改造工程，对灌区设施进行改造提升。但在工程实施中，为尽量不影响灌区因施工带来的引水困难、导流困难，安排渠道混凝土衬砌常在冬季进行施工，但受混凝土冬季施工冻融、地下水位、融雪、渗流、土基冻胀等综合作用的影响，灌区大型渠道边坡混凝土出现裂缝，严重影响灌区工程建设质量，制约着黄河灌区的发展。弄清引黄灌区大型渠道边坡混凝土冬季施工开裂机理，破解渠道边坡混凝土冬季施工开裂难题，成为当前大型灌区渠道混凝土施工中亟待解决的问题。

文中以三义寨灌区渠道混凝土衬砌为研究对象，建立混凝土衬砌板受基土冻胀力作用模型，计算渠道局部混凝土表面拉应力大小，并与试验所测同等级混凝土经历若干次冻融循环劣化后的抗拉强度对比，揭示灌区混凝土冬季施工病害机理，提出预防灌区冬季施工混凝土开裂对策，对北方寒冷地区渠道混凝土施工安全具有重要的意义。

一、工程概况

1．工程地质

三义寨灌区现代化改造实施灌溉面积181万亩，三义寨灌区工程规模为大（1）型，工程等别为I等[1-2]。工程区地处豫东黄河冲积平原，地势低洼，一般地面高程低于黄河故道高滩区6～8m，地形略有起伏，西高东低。地面坡降1/5,000～1/7,000。据地质测绘及钻探揭露，工程区范围大面积为第四系松散堆积物覆盖，其地层岩性特征主要划分为3个土体单元，自上而下依次为：(1)表层：粉细砂、沙壤土、中细砂；(2)中层：粉细砂、砂壤土、中、重粉质壤土、粉质粘土；(3)下层：中、重粉质壤土、沙壤土、粉质粘土、粘土等。该地区属于温带大陆性季风气候区，其气候具有明显的过渡性特征，春夏秋冬，四季分明。该区多年平均气温为14℃，年内变化较大，元月份平均-0.7℃，七月份气温最高，平均为27.5℃。多年平均降雨量639.2mm，降雨主要集中在6～9三个月，占全年的70%。可安排在非汛期施工。常年主导风向为东北、西南风，全年无霜期为215d，初霜期一般在10月30日前后，终霜期在3月30日前后。多年平均引水含沙量为5.52kg/m3。引水河段结冰时间多出现于12月-1月份，融冰时间多在2月份。

2．工程问题

2022年3月23日，河南省发展和改革委以豫发改农经[2022]226号文对《河南省“十四五”三义寨灌区续建配套与现代化改造可行性研究报告》进行批复。批复明确主要建设内容为：新增干渠渠底防渗衬砌37.132km、渠道护坡26.183km、全断面衬砌27.15km；新建或改造水闸3座、桥涵11座；新建、改建渠提道路36.33km；新建渠道防护栏31.276km；轨道式桥架自动测流系统4套、闸门自动化控制站点20处、干渠水情检测站点44处、视频监视站点60处、测控一体化闸门67处等信息化建设等。根据总体施工规划，每1km设置一下渠底施工道路，后退法开挖渠槽，土方开挖和混凝土衬砌采用分段流水作业，开挖50～100m后，开始混凝土衬砌。干渠衬砌混凝土施工后养护至设计龄期，之后经历了大雪，积雪厚度10cm，温度下降12℃。工程完工后，渠道边坡衬砌板局部出现错缝的质量问题，渠道边坡衬砌板局部出现错缝的部位主要是一标段1+450、四标段6+618、五标段8+000、六标段9+700、七标段10+200上下游的右岸（背阴面）平护坡下沿与弧形坡上沿连接处，错缝差值0.5-5cm。这严重影响着工程的建设质量和工程的运营效率，威胁着引黄灌区的用水安全。

二、渠基土体冻胀

自然界中的土都是由固体颗粒、土中水和空气构成的三相体系[3]。各相的性质、相对含量及相互作用是决定土体物理力学性质的主要因素。水在冻结后体积会膨胀，大约增加9%。在土壤冻结过程中，这种体积膨胀会导致土体整体体积的增加，这种现象称为土的冻胀[4]。土体某点冻胀前后的高差称为冻胀量。土壤冻胀量的大小主要取决于其颗粒大小、矿物组成和含水率[5-8]。一般而言，同一种土的含水率越大，其冻胀量越大。对于灌区渠道而言，基土的冻胀量超过一定数值，就会对其所支撑的混凝土衬砌产生力的作用，衬砌则对基土的冻胀起到约束的作用，二者相互作用的结果导致衬砌混凝土局部表面出现张力，这种张力就是土的冻胀力，而衬砌周围的混凝土则起到约束冻胀土范围混凝土的作用，相当于支座的作用。混凝土表面张力的大小取决于基土冻胀量的大小，当混凝土表面张力超过混凝土材料的抗拉强度，混凝土表面的应变就会因超过极限拉应变而开裂。

1．渠道断面力学分析模型

图1为渠道断面受力分析模型示意图。在推导公式过程中，顺着渠道纵轴线方向取单位宽度（1m）渠段。设渠道底板混凝土衬砌厚度为δ，渠底宽度为B，渠道边坡混凝土衬砌板厚为δ，边坡长度为L，边坡坡度为tanα。

图1 渠道断面受力分析模型

以边坡断面为研究对象，边坡段所受外力有自重G1、边坡基土对边坡衬砌板的剪应力τ（合力T=τL×1）、边坡基土对边坡衬砌板的支持力N、底板对边坡段的作用力F。列出沿着边坡方向的平衡方程：

当土壤的冻胀深度h≥L时，可由T=τL×1计算剪应力的合力；而当h<L时，由T=τh×1计算剪应力的合力。τ取混凝土衬砌板下冻结土体之间剪应力的最大值，即含水土体的冻结强度（单位：k Pa）。冻土强度τ与冻土的温度有关[9]，当温度不超过-15℃时，可以由式（2）计算：

式中：t—热力学温度，K，可由摄氏温度值与273.15的和求出；c、m—为土壤冻结强度计算系数，与土壤类型相关，可有表1查得。

表1 土壤冻结强度计算系数[9]

以边渠道底板坡断面为研究对象，底板段所受外力有自重G2、边坡对底板两端的反作用力F′（F′=F）、基土对底板的约束反力q。列出沿着竖直方向的平衡方程：

联合式（1）、（2）和（3）可得基土对渠道底板的反力计算公式：

式中γ—混凝土的重度，取24.5k N/m3;

δ—渠道混凝土边坡、底板混凝土衬砌的厚度，m。

2．渠道底板混凝土表面应力

将边坡与底板结合处看成是渠道底板混凝土衬砌的支座，沿着水流方向取单位长度渠段为研究对象，底板可以按照简支单向板进行应力计算，计算简图如图2所示。

图2 渠道底板计算简图

根据材料力学的相关理论，底板混凝土衬砌表面所产生的最大应力是满跨均布荷载q作用在简支板上产生的最大弯曲应力与轴心受压构件产生的正应力的合力，可以表示为：

式σmax为渠道底板表面出现的最大应力，其他字母的含义同前。

3．渠道底板应力计算案例

三义寨灌区某干渠采用C25W6F150现浇混凝土进行渠道全断面衬砌，断面形式为梯形断面，两岸边坡坡比为1:2，现浇混凝土衬砌板厚度100mm，渠道底宽为6.20m，渠深度2.8m。该地区冬季最低温度为-11.6℃，该段渠底基土为粉质壤土，冻土层最大深度为0.4m。下面计算该段渠道底部混凝土衬砌表面最大应力。

解：由tanα=1:2可得sinα=0.447,cosα=0.894;L=2.8/sinα=6.26m;

冻土层最大深度为0.4m<L=6.26m，所以由T=τh来确定边坡基土对边坡混凝土衬砌板的剪力；查表1可得粉质壤土的c=0.4,m=0.1,T=τh=[0.4+0.1×（273.15-11.6）]×0.4=10.62k N;F=T+G1sinα=10.62+24.5×1×0.1×6.26=17.48k N。

由式（4）求出q如下：

由式（5）求出渠道底板混凝土衬砌表面最大应力如下：

三、混凝土冻融循环及单轴拉伸特性

混凝土内孔隙水结冰，体积膨胀，体积膨胀受到孔隙边壁的约束，就会在孔隙壁上产生应力作用，当外界温度回升，孔隙内冰晶融化，孔隙壁应力得以部分释放，如此循环，导致混凝土内部粗化，也造成混凝土宏观力学性能的劣化[10-11]。

1．试验设计

采用图3所示的哑铃型试件开展混凝土的冻融循环和单轴拉伸试验。混凝土采用C25普通混凝土和CF25-1.0%、CF45-1.0%钢纤维混凝土。冻融循环次数为25和50次。

图3 单轴拉伸试件

2．混凝土冻融循环及单轴拉伸试验

采用快速冻融试验机对养护到设计龄期的试块开展快速冻融试验，观察试件外观形貌变化、质量损失、相对东弹性模量，并达到冻融循环次数的试块进行单轴拉伸测试，测定试样的抗拉强度、峰值应变以及应力-应变曲线。

3．主要试验结果

对经历25和50次冻融循环后的混凝土试件进行单轴拉伸，测得各试件的峰值强度和峰值应变，主要试验结果如表2所示。

表2 主要试验结果

由表2不难看出，C25普通混凝土的抗拉强度只有2.41MPa，且随着冻融次数增加25次、50次，其抗拉强度和峰值应变进一步下降，分别下降了8.6%和41.8%。对于掺入1.0%钢纤维的CF25-1.0%H和CF45-1.0%的钢纤维混凝土而言，随着冻融的增加，峰值强度和峰值应变也有相同的下降趋势。比起渠道底板混凝土衬砌在基土发生-11.6℃温度骤降时对混凝土所产生的最大张力3.60MPa而言，C25普通混凝土和CF25-1.0钢纤维混凝土，都会产生拉伸破坏。而采用强度等级为CF45钢纤维掺量为1.0%的钢纤维混凝土，能够抵抗50次冻融循环，而不会发生破坏。

四、结论

(1）融雪造成渠道衬砌基土含水率变大为土壤冻胀提供了条件，温度骤降引起渠道混凝土衬砌基土冻胀，继而导致混凝土表面张力过大，是造成灌区渠道混凝土冻害的主要原因。

(2）融雪-结冰的反复进行导致渠道混凝土衬砌材料的力学性能劣化，降低了材料自身的抗拉强度，破坏了材料的抗冻性能，使混凝土更容易发生冻害。

(3）采用掺量为1.0%、强度等级为CF45的钢纤维混凝土能够避免三义寨灌区渠道冬季施工冻害的发生。

参考文献:

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基金资助:国家级职业教育教师教学创新团队课题研究项目(ZH2021040101); 河南省2023年重大科技专项项目(23110 0320100); 河南省2023年水利科技攻关项目计划(GG202337); 河南省高等学校重点科研项目计划(24B560014);开封市科技攻关项目(2303061);黄河水利职业技术学院2021年教学改革研究与实践项目(2021-HJGYB-025&2021-HJGYB-026);

文章来源:侯黎黎,杨松林,雷恒,等.三义寨灌区渠道混凝土冬季施工病害机理研究[J].中国水运(下半月),2024,24(11):95-97.