農田水利工程凍脹破壞及防治措施分析

孫忠權 王居芳

【摘 要】我國農業在國內乃至國際都占據著重要地位，其中開展農田水利工程對促進農業發展起著積極作用。然而在農田水利工程中凍脹破壞對工程建筑物的破壞力較大，尤其水位變動區的混凝土表面，一旦凍結會立即引起體積膨脹，融化時會化成水，降低彈性指數，長期以往較易剝蝕脫落，進而影響工程效益發揮。本文則以寧夏惠農區農田水利工程為例，探究此項工程凍脹破壞原因，并針對破壞原因給予解決措施，以供參考。

【關鍵詞】農田水利工程；凍脹破壞；原因；防治

惠農區位于寧夏回族自治區石嘴山市的最北端，由賀蘭山丘陵地、洪積傾斜平原、黃河沖積平原三個單元組成。屬于中溫帶干旱大陸性氣候，東南季風受重山阻隔進入本區降水稀少，從西北而來的蒙古高壓干冷氣流可自賀蘭山鄂爾多斯高原長驅直入，夏熱而短促，春暖而多風，秋涼而短早，冬寒而漫長，多年平均氣溫8.8℃，極端最高氣溫38℃，極端最低氣溫- 28.4℃。夏季主導風向為西南風，頻率10.8%，多而大，平均風速3m/s，其余各季為北風和東北風，頻率8.9%，平均風速2.19m/s，也正是因為此極端天氣，極容易在進行農田水利工程中出現東脹破壞。

1 農田水利工程凍脹破壞原因

1.1 混凝土凍脹破壞

土的組成是有機物質和礦物顆粒，是多孔多相松散的介質。相關實驗表明，土質顆粒直徑>0.1mm時幾乎不存在凍脹，直徑0.1～0.05mm時凍脹屬性相對均勻，直徑0.05～0.002mm時凍脹屬性最強。而造成混凝土凍融破壞有多方面因素：1）外加劑影響；在混凝土施工過程中摻入減水劑能起到改善混凝土內部結構的作用，內部孔隙結構結構也會相應得到改善，降低凍脹應力，提高混凝土抗凍性。2）水泥中不同礦物成份、品種及骨料會影響混凝土的耐久性。3）防止受水位變化影響；導致混凝土出現嚴重凍脹多在寒冷季節水位變化時期，需采取有力的措施予以防止。

1.2 渠系建筑物凍脹破壞因素

渠系建筑物可以直接影響農田供水效果，是農田水利的重點工程。土壤之所以發生凍脹受多方面影響因素，如土壤溫度、土質、含水量、土壤結構、壓力及氣溫等，產生凍脹力后發生形態變化。土體中的水分凍結后變成冰后導致土壤出現凍脹，土壤體積膨脹是在受到約束后產生的力。觀察灌區渠道及相配套建筑物可得知，凍土深度會隨著冬季氣溫的降低而擴大，凍脹也越嚴重，渠道混凝土面板的變形增大后也會導致其斷裂程度越來越嚴重。由于砂礫石土質中不存在薄膜水，很少在凍結時發生水分遷移，從而不會產生凍脹。所以土壤中的土體顆粒、水、負溫及物理性質是造成渠道破壞的關鍵因素，多數發生在灌區的中下部。渠道基土受凍后體積逐漸膨脹，以致渠道凍脹破壞。通常受凍體積膨脹的渠基土要具備土壤本身的中礦物質成份、顆粒等物理力學性質，具備土壤中會存在自由水和毛細水且有通暢的水分補給通道及寒冷氣候區持續的負溫等三個條件。其中土壤中自由水和毛細水是必備條件，也是凍脹發生的先決條件。水在整個漿脹破壞過程中是最活躍的因素。當前受凍脹破壞渠道基本處于灌區中、下游居多，主要是因地下水埋在灌區中下游地區較為深淺，土體中自由水和毛細水的補給較為充足，再加上土壤顆粒細，然而氣溫一旦下降至零度以下，土體會因毛細水和自由水的體積受體膨脹而引發膨脹，導致渠道被破壞。

2 防治農田水利工程凍脹破壞措施

2.1 做好農田工程設計，預防凍脹破壞

一般農田水利工程凍脹破壞可從改變凍土的凍脹性質及分析凍脹規律，改變工程結構兩方面著手，以此提高抗凍能力。這些措施都要從設計、施工、管理等各個方面綜合考慮。首先設計方面?？傮w布置時應重視該地區年均最低氣溫、歷史最低氣溫、凍害情況、地下水的埋深補給等情況，選擇工程地段盡可能的以排水條件好、地勢高、土壤凍脹小為前提。在滿足使用條件下，建筑物的布置力求簡單。例如一字型水閘渠系建筑物，重點在于將垂直防滲改為水平防滲，縮小斷面，保證重點部位不會遭遇凍脹?；A處理方面可對脹土鋪設隔水層。反拱底板具有良好的拱形結構抗壓性能，是一種較好的處理措施，相關凍脹力可以利用反拱底板起到抵抗的作用，廣泛應用于各大施工單位。本文所研究農田水利工程建筑物就合理采用了反拱底板結構，取得了良好的效果。此外，還可合理分割并設置建筑物變形縫，避免建筑物因凍害而遭到破壞，在于改善結構內部在凍脹力作用下的受力條件。如渠系建筑物可采用柔性連接管節，同時也可采用固定聯接，有效避免管節之間因土基凍脹上抬引起的錯位，以適應凍脹變形或防滲防沖。

2.2 切斷凍土地基水分補給

從分析工程凍脹破壞原因中得知，導致土體凍脹有土壤本身的中礦物質成份、顆粒等物理力學性質，具備土壤中會存在自由水和毛細水且有通暢的水分補給通道及寒冷氣候區持續的負溫三個條件，只要三個條件同時具備才會發生凍脹破壞。同理而言，消除三個破壞因素中的一個才能減輕和防止凍脹危害。本文所研究農田水利工程地區氣候條件是不可能使外部溫度不降低至零度，因此需采用常用的處理防凍脹的措施，即在凍結前、后切斷土地基的水分補給。一般減少水分的補給會采用排水或高填，但不能忽視毛細水的作用及土體顆粒及物理力學性質。毛細水若上升至地下水面以下的2～3m的平面同樣使渠道產生東脹破壞，所以是不可能切斷細顆粒土體水分。針對上述情況應從改變基土結構分析，換填渠基土就是改變基土的基本結構，在渠基中填入大顆粒的土體，挖走原來的細顆粒土體，通常換填厚度要和凍土深度相符，所以這種換填工程較大，一些凍土深度相對較深的地方適合用這種方法。

2.3 優化施工步驟和修補措施

在冬季對建筑基礎進行施工時，挖好基坑后要立即砌筑或澆筑并用保溫材料及時覆蓋，不得使地基土受凍。如果室外晝夜平均氣溫低于3℃時還要趕澆混凝土可摻雜一定量的防凍劑。因為防凍劑能減少混凝土中水分，增強混凝土的強度和抗凍性。但需要留意的是如果防凍劑超過限值，可能會因摻加過多的防凍劑而降低抗凍性。據某省市試驗資料表明，在木模中新澆的混凝土若暴漏在日極端氣溫- 10℃天氣中，混凝土溫度最低最降至- 3.7℃。如果將摻雜水泥用量3%亞硝酸鈉足以使混凝土是在無保溫措施下不會發生早期凍脹，也有利于混凝土強度、抗凍及耐久性。此外，還可通過各種治理措施預防凍脹。如噴漿防滲；指在需被修補的部位將混凝土板料以高速運動的形式注入，多用于混凝土凍融破壞較為嚴重的部位，抗滲性和密度都優于一般混凝土且效果佳。例如環氧材料修補；這種材料具有較高的抗滲、抗蝕能力，還能與混凝土結合，材料配比嚴格，施工工藝相對來說較復雜，如果和其他修補方法配合使用效果更佳。

3 結語

總之，在農田水利工程中凍脹破壞有較大的影響力，尤其對于一些溫良季風氣候、年平均氣溫3.9℃的自然調價區域是十分不利的，寒冷天氣會使興建的農田水利工程受到冰融、凍脹的破壞。對此，工程施工單位應系統地觀察地區環境變化，掌握冰融、凍脹規律，盡可能的制定出簡便易行且符合本地實際情況的防護措施，在農田水利工程設計、施工及后續維修管理方面應順應自然，統籌兼顧，從而減輕凍脹破壞的損失。

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