摘要：结合输水渠道设计、施工经验，对冻融剥蚀破坏机理进行调查研究，提出应对防范措施，为渠道设计施工提供科学依据，以供类似工程参考。
关键词：冻融剥蚀破坏；混凝土渠道；设计；施工；寒冷地区
为避免渠道遭受冻融破坏，提高渠道使用性能和使用寿命。在渠道设计中，对渠道冻融破坏机理进行深入调查研究，提出寒冷地区输水渠道应对冻融破坏防范措施，为云南寒冷地区渠道设计施工提供科学依据，对保证渠道发挥较好的经济效益和社会效益具有十分重要意义。
１冻融剥蚀破坏调查
对寒冷地区输水渠道进行实地调查发现，输水渠道均遭受不同程度的冻融剥蚀破坏，产生破坏的原因主要是由于寒冷地区的特殊气候条件造成的，如寒冷地区日照时间短、昼夜温差大、冬季气温低、降雪及在负温下极易形成冻土等。
２冻融循环破坏机理
2.1混凝土结构自身冻融破坏机理
输水渠道，混凝土与水直接接触，形成压力进入混凝土毛细孔中，当混凝土在负温下受冻，毛细孔中的水结冰膨胀，正温下融解，反复循环冻融导致混凝土结构破坏。根据美国学者提出的膨胀压和渗透压理论，吸水饱和混凝土在冻融过程中遭受的破坏力主要由两部分组成：其一是膨胀压力，当混凝土中的毛细孔水在某负温下产生物态变化，由水转变成冰时，体积膨胀为９%，因受毛细孔壁约束形成膨胀压力，在孔周围的微观结构中产生拉应力；其二是渗透压力，由于表面张力作用，混凝土毛细孔中水的冰点随着孔径的减小而降低，因而在粗孔中的水结冰后，由冰与过冷水的饱和蒸气压差和过冷水之间盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。另外，过冷水分迁移渗透的结果必然会使毛细孔中冰的体积不断增大，从而形成更大的膨胀压力。当混凝土受冻时，这两种压力损伤混凝土的内部微观结构，但一次循环作用不足以对混凝土的力学性能发生宏观变化，当经过无数次冻融循环后，并逐步积累不断扩大，最后发展成蜂窝状、掉块，使混凝土的强度逐渐降低，甚至完全丧失。
2.2周围环境对混凝土产生冻融破坏机理
寒冷地区冬季夜间气温长时间处于负温下，时有降雪过程，整个地表区将产生冻土现象，这时输水渠道两侧回填土区域将产生膨胀压力及渗透压力，冻土层深度将影响输水渠道的结构设计。在实地调查中，通过对寒冷地区房屋周围散水及混凝土道路面长期观察，降雨、降雪对建筑物周围形成的游离水进入混凝土表层和土体，在负温下形成由水变成冰的条件，随着气温的不断降低，形成膨胀压力，将混凝土抬升拉裂凸出表面，反之随着气温升高，冰转成水后体积缩小，混凝土又降落回地表。这一现象在寒冷地区冬季最为常见，特别是阳光照射不到的角落最为普遍。因此在寒冷地区输水渠道设计中必需考虑这一特殊膨胀压力的存在。
3发生冻融循环的部位及特点
3.1发生冻融循环的部位
寒冷地区输水渠道，冻融循环破坏主要发生在渠道水位变辐区、渠道与建筑物连接部位、伸缩缝、施工缝以及渠道通过地下水位较高的地段。
3.2破坏的特征及形态
寒冷地区输水渠道在经受反复冻融循环破坏后，一般表现形式为混凝土表面开始变得粗糙、形成窝蜂状、表层水泥浆脱壳、骨料裸露、掉块、空洞，最后导致整个断面在受外部膨胀压力的作用下断裂破坏，丧失使用功能。
4寒冷地区混凝土输水渠道设计
在寒冷地区，为延长工程寿命，防止和减少工程受到冻融循环破坏，在工程设计中应考虑和制定相应的防治措施。通过对寒冷地区电站引水渠的调查发现，由于水电站引水渠多年在同一水位线上运行，发生动容循环破坏部位相对固定，大多发生在水位变幅区范围内，同时研究发现有一定水深的渠道冻融破坏影响程度及范围远比渠道无水或在低水位下运行的渠道要好得多，主要原因是冬季渠道内的水可以起到保护混凝土表面的作用，特别是大断面的渠道效果更明显。寒冷地区混凝土输水渠道设计要点归纳如下：
4.1提高混凝土抗渗指标
在混凝土硬化过程中受各种因素的影响，常会发生各种收缩变形，这些变形在混凝土内部形成许多微小裂纹，从而降低混凝土抗渗性能，导致渠道在运行过程中水极易渗入混凝土体，在多次冻融循环破坏下，混凝土容易出现断裂。因此，在设计中首先考虑提高混凝土的抗渗指标。
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4.2保持同一水位运行
调查表明，渠道在同一水位条件下运行，冻融破坏范围比较固定。为控制或减少冻融破坏范围，对季节性渠道和一般输水渠道考虑修建节制水闸来实现渠道设计在同一水位运行。
4.3添加外加剂、降低水灰比
减水剂掺入混凝土可使水泥颗粒分散，改善混凝土拌和物的和易性，减少拌和用水量，使硬化混凝土中毛细孔数量相应减少，提高混凝土的抗渗性和耐久性。在渠道水位变幅区采用优质高效的减水剂降低水灰比，实现提高混凝土的密实程度和抗冻标号。
在混凝土配比中添加硅灰、粉煤灰等活性混合物材料掺入混凝土后，其活性成分与水泥中的氢氧化钙发生二次反应，生成强度更高，稳定性更好的水化硅酸钙凝胶，从而改善混凝土中胶凝物的组成，改善了水泥石界面结构和截面区性能，提高混凝土后期强度和抗渗性。
4.4增设温度钢筋
在水位变幅区及冻土深度范围内增设温度钢筋，以抵卸外部冻土压力对输水渠道混凝土结构的推力。
4.5增设排水设施
为有效防止冻胀破坏，在混凝土结构周围进行排水设计，增设垫层及排水管，减少冻胀力对输水渠道的影响。
5寒冷地区混凝土输水渠道施工
寒冷地区混凝土输水渠道的施工中，必须注重每一个环节，精心设计、精心施工是建设高质量的混凝土输水渠道的前提，这样不但可以减少工程的运行维护费用，还可以延长工程使用年限，充分发挥其应有的效益。根据实践经验将混凝土输水渠道施工要点，归纳如下：
5.1骨料的选择
粗骨料要选用低吸水率、低渗透性、高抗冻性优质骨料。严禁含有高吸水率弱质颗粒，2～40 mm粒径骨料中和沙中的含泥量应控制在小于1%的范围内。
5.2浇筑仓位
为保证混凝土结构体积和密实性，在入仓浇筑前应对模板进行几何尺寸、标高、固横牢靠程度及模板接缝的检查。固模支撑要牢固，满足混凝土侧压力和施工荷载作用要求；模板缝隙应密封良好，不漏浆，模板里侧涂刷脱模剂，以便浇筑混凝土有光洁的表面。
5.2混凝土拌合质量
施工中做到加料精确控制，严格混凝土水灰比、坍落度和拌合时间，混凝土搅拌充分，保证拌合质量。
5.3混凝土振捣
振捣混凝土时，振捣器距离模板不应大于振捣器作用半径的0.5倍，且不宜紧靠模板振动，应尽量避免碰撞钢筋、预埋件等。振捣要细致，避免出现漏振、欠振和过振。
5.4养护
浇筑后加强混凝土早期潮湿养护，避免出现失水过快，影响混凝土的层间结合及混凝土表面的出现裂痕。
5.5施工缝
施工缝面作为新、老混凝土的结合部位，在缝面的处理上及时采取冲毛或凿毛工艺，要彻底清除积水和渣粒，浇筑混凝土前要用砂浆铺设覆盖老混凝土面，结合面混凝土振捣密实。
6结语
寒冷地区输水渠道冻融剥蚀破坏一直以来是设计与施工难点，也是广大水利工程技术人员不断研究的新课题，在工程设计中要理论联系实际，深入调查研究，因地制宜设计出不同寒冷地区能较好抵抗冻融剥蚀破坏的工程，要科学地提高寒冷地区混凝土渠道抗冻能力，使工程既经济、合理，又保证使用性能和使用寿命不受影响，达到减少工程的维护管理费用之目的。
参考文献：
[1]王文生.冬季输水渠道防冻胀破坏研究[J].水利建设与管理，2017（10）：86-89.
[2] SL191-2008.水工混凝土结构设计规范[s].
论文作者:李丕清,王永德
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2018/12/19
标签：混凝土论文; 渠道论文; 寒冷论文; 地区论文; 水位论文; 压力论文; 骨料论文; 《基层建设》2018年第32期论文;