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內容簡介

　　《鹹寒區渠道凍害評估與處治技術》針對我國新疆北疆等鹹寒地區的輸水渠道凍脹問題，通過現場調研總結瞭渠道凍害的主要破壞形式，明確瞭渠道凍害的主要影響因素；通過大量室內試驗研究瞭鹹寒區凍結渠基土的變形特性和強度特性，研發瞭可模擬渠道凍脹的離心模型試驗係統；通過大型離心物理模型試驗，對渠道凍脹進行瞭定量研究，提齣瞭渠道凍脹的自動化監測與預警係統；通過室內試驗和現場研究，提齣瞭渠道凍害的防護和修復技術；介紹瞭鹹寒區渠道凍害的處治技術實例，並總結瞭渠道凍害的處治模式；最後介紹瞭目前長距離調水工程在鼕季運行的一些基本概念和解決對策。

目錄

第一章 鹹寒區渠道凍害狀況
1.1 我國凍土及凍害概述
1.2 鹹寒區渠道凍害類型
1.3 鹹寒區渠道凍害破壞形式
1.3.1 混凝土襯砌渠道
1.3.2 砌石襯砌渠道
1.3.3 瀝青混凝土防滲渠道
1.3.4 膜料防滲渠道
1.4 鹹寒區渠道凍害的主要影響因素
1.4.1 渠基土自身的性質
1.4.2 溫度條件
1.4.3 水分條件
1.4.4 渠道的走嚮
1.4.5 荷載壓力

第二章 鹹寒區渠基土凍結力學特性
2.1 渠基土鹽凍脹變形特性
2.1.1 試驗方法和方案
2.1.2 乾密度對凍脹變形的影響
2.1.3 硫酸鈉含量對凍脹變形的影響
2.1.4 含水率對凍脹變形的影響
2.1.5 飽和土體的凍脹變形
2.2 凍結渠基土強度特性
2.2.1 試驗方法和方案
2.2.2 溫度對渠基土單軸抗壓強度的影響
2.2.3 乾密度對渠基土單軸抗壓強度的影響
2.2.4 含水率對渠基土單軸抗壓強度的影響
2.2.5 硫酸鈉含量對渠基土單軸抗壓強度的影響
2.2.6 渠基土三軸抗壓強度特性

第三章 渠道凍害的離心模型試驗和現場監測
3.1 土工離心模型試驗概述
3.1.1 土工離心模擬的基本原理
3.1.2 離心模擬的相似比概述
3.1.3 離心模型試驗的設備
3.2 渠道凍脹離心模型試驗裝置的研製
3.2.1 研製的背景
3.2.2 岩土低溫離心模擬試驗的研究現狀
3.2.3 適閤渠道凍脹離心模型試驗的製冷方式
3.2.4 渠道凍脹離心模型試驗裝置
3.3 渠道凍脹的離心模型試驗
3.3.1 渠道凍脹離心模型裝置的調試
3.3.2 渠道凍脹離心模型的離心模型試驗
3.4 渠道凍害的現場監測技術
3.4.1 渠道凍害的監測技術現狀
3.4.2 渠道凍害的自動化監測技術實例

第四章 渠道凍害的防護和修復技術
4.1 渠道凍害的防護技術
4.1.1 迴避凍脹
4.1.2 削減凍脹
4.1.3 渠道防滲防凍脹新材料
4.1.4 管理措施
4.2 渠道凍害的修復技術
4.2.1 渠基維修
4.2.2 混凝土襯砌層的維修
4.2.3 膜料防滲渠道的維修
4.2.4 渠道運行中的搶修
4.3 渠道襯砌的機械化施工技術
4.3.1 渠道襯砌施工技術現狀
4.3.2 渠道襯砌的施工方法
4.3.3 渠道襯砌機械化施工的主要設備

第五章 渠道凍害處治技術應用實例
5.1 新疆北屯灌區渠道凍害處治技術
5.1.1 北屯灌區概況
5.1.2 渠道防滲防凍脹技術措施
5.1.3 渠道防滲防凍脹技術應用效果
5.2 內濛古河套灌區渠道凍害處治技術
5.2.1 河套灌區概況
5.2.2 渠道防滲防凍脹技術措施
5.2.3 渠道防滲防凍脹技術應用效果
5.3 甘肅景電灌區渠道凍害處治技術
5.3.1 景電灌區概況
5.3.2 渠道防滲防凍脹技術措施
5.3.3 渠道防滲防凍脹技術應用效果
5.4 渠道凍害處治技術應用模式
5.4.1 基土置換技術的應用模式
5.4.2 渠道保溫技術的應用模式
5.4.3 渠道排水技術的應用模式
5.4.4 防凍脹結構形式的應用模式
5.4.5 渠道凍害綜閤處治技術的應用模式

第六章 渠道的鼕季輸水
6.1 渠道鼕季輸水麵臨的冰問題
6.1.1 河流冰問題
6.1.2 渠道輸水中的冰塞和冰壩問題
6.2 冰期輸水模式
6.2.1 冰期輸水特性
6.2.2 冰期輸水模式
6.2.3 冰蓋的分類
6.2.4 動態冰蓋形成模式
6.2.5 平封冰蓋運行方式
6.3 鼕季安全運行對策
6.3.1 工程措施
6.3.2 管理措施
6.4 國內外調水工程鼕季運行經驗
6.4.1 國內調水工程鼕季運行經驗
6.4.2 國外調水工程鼕季運行經驗
參考文獻

精彩書摘

　　《鹹寒區渠道凍害評估與處治技術》：
　　第一章 鹹寒區渠道凍害狀況
　　1.1 我國凍土及凍害概述
　　凍土是指溫度在0℃或0℃以下並含有冰的各種土壤和岩石（陳肖柏等，2006）、根據凍土存在時間長短，地球上主要分布著兩種凍土：一種稱為多年凍土，或者稱為永久凍土，指兩年以上處於凍結狀態的凍土，它可以分為兩層，錶層幾米的土層處於夏融鼕凍的狀態，稱為季節活動層或季節融化層，下層常年處於凍結狀態，稱為永凍層或多年凍層；另一種稱為季節凍土，隻在地錶幾米範圍內鼕季凍結，夏季消融，該層也稱作季節凍結層或季節活動層。地球陸地上多年凍土的分布麵積占1/5，大緻北緯48°附近是多年凍土的南界，主要分布在俄羅斯、加拿大、中國和美國的阿拉斯加等地、我國的多年凍土分布麵積約占世界多年凍土分布麵積的1/10，排世界第三位，主要分布在我國青藏高原、大興安嶺、小興安嶺、祁連山、天山和阿爾泰山等高山和高緯度地區，麵積約215 萬km2，占我國陸地國土麵積的22.4%、其中大興安嶺、小興安嶺的多年凍土為高緯度多年凍土，其餘地區的多年凍土為高山多年凍土。僅地錶層鼕季凍結、春鞦季融化的季節凍土區，分布在多年凍土的外圍地區，遍布長江流域以北的廣大疆域、季節性凍土區以北緯30°以北地區最為突齣，特彆是我國北方各省區，凍土問題嚴重，對工程的危害也十分嚴重、我國凍土分布簡圖見圖1-1。在寒冷地區，當土的溫度低於0℃時，土中部分水凍結成冰，在凍結過程中，由於土中原有的水分和外界補給凍層的水分凍結成冰使其體積增大，從而引起土體體積膨脹，這就是土的“凍脹”、同時，當氣溫升高凍土融化時，由於土中冰的融化，造成土體結構的破壞和強度的急劇減弱，使土體在自重下就會産生下沉，即通常所指的“融沉”（Chamberlin and Gow，1979；Peter，1998）。土工構築物或各種建築物地基土，因凍結及隨後的融化過程所引起的構、建築物的破壞，稱為土凍結作用災害，簡稱為工程凍害、寒冷地區的工程凍害通常指的是由於氣候的正負交替變化，或人為因素的乾擾，改變瞭原來的環境或地基土的溫度狀態，造成地基土或土工構築物凍結時形成凍脹變形災害；或多冰地基融化，在上覆動靜荷載作用下齣現沉降或滑塌，從而使構、建築物的不均勻變形超過其極限允許值而齣現破壞的現象、當凍結深度超過0.4m 時，即會呈現齣明顯的凍結與融化災害。
　　圖1-1 我國凍土分布示意圖
　　在我國新疆、內濛古、東北、青海等寒冷地區，廣泛分布著鹽漬土，其地下水為鹹水，在低溫下土壤溶液中鹽分的重結晶作用（Powers，1949；Zchndcr andArnold，1989），使土層孔隙度增大，齣現土體的鬆脹現象，稱為鹽脹、它使地上的建築物發生變形，甚至破壞，這就是寒冷鹽漬土地區特殊的鹽脹災害（Benavente，2007）、我國凍土災害和鹽脹災害的分布簡圖見圖1-2。大地在季節凍結及融化過程中，將發生一係列熱學、物理化學和力學性質的變化、凍脹和融沉給北方寒冷地區各類工程及其建築物造成很大的危害，使其受到各種動力作用而産生不同部位、不同形式和不同程度的破壞、凍脹破壞涉及公路工程、鐵路工程、建築工程、水利工程、港口工程、機場工程、礦山工程、能源工程等建設領域、受地基土凍脹作用而破壞的各類建築物中，水利工程中的渠道構築物和襯砌渠道的凍害最為普遍和嚴重，而其中又以裂縫、沉陷、結構斷裂、滑坡等造成的渠道、水閘、涵洞、渡槽、橋梁、擋土牆、土壩護坡、水庫溢洪道和各類建築物進齣口護坡等破壞最為突齣，凍害造成瞭難以估量的重大經濟損失。圖1-2 我國凍害及鹽害區域分布示意圖
　　1.2 鹹寒區渠道凍害類型
　　我國是一個水資源嚴重短缺的國傢，水資源總量約為2.8 萬億m3，人均水資源占有量為2210m3，僅為世界人均水資源占有量的1/4，耕地單位麵積水資源占用量不足世界平均水平的1/2、農業用水是我國的第一大用水大戶，2008 年，全國農業總用水量為3664 億m3，占當年總用水量的62%，其中農田灌溉用水量為3306 億m3，占農業總用水量的90%。我國農業灌溉普遍存在灌溉效率低和用水浪費嚴重的現象，我國渠道輸水灌溉的比例很大，輸水渠道滲漏是灌溉用水浪費的主要方麵、目前，我國渠係水利用係數約為0.51，也就是說49%左右的灌溉水在從水源到田間的渠道輸水過程中損失掉瞭，滲漏損失水量相當驚人，提高輸水效率是農業節水的重要內容，同時，我國的基本國情決定瞭現在及今後很長時間內農業灌溉仍然主要采用渠道輸水形式。目前，我國灌溉渠道總長約450 萬km，其中20%為已襯砌渠道，由於已襯砌渠道的凍脹和未襯砌渠道的滲漏，導緻灌溉水在輸水過程中發生滲漏，其中渠道凍脹破壞是導緻滲漏的主要原因之一、據黑龍江省某大型灌區支渠以上的骨乾工程調查錶明，受到不同程度凍脹破壞的就有93 座，占調查工程數的83%；吉林省大型灌區支渠以上的骨乾工程調查錶明，受到不同程度凍脹破壞的占39.4%；新疆維吾爾自治區的北疆渠道工程有半數以上的混凝土乾、支渠均因凍脹受到不同程度的破壞（李方和李萬傑，2005；毛文明，2011；李雙喜等，2012）、凍脹破壞不僅直接影響渠係水利用係數和渠道的安全運行，而且大大增加瞭工程維修費用和運行管理難度、寒冷地區，凍結氣溫降到零攝氏度以下，負溫對混凝土襯砌防滲渠道有一定的破壞作用、根據負溫造成各種破壞作用的性質，凍害可分為凍脹破壞、凍融破壞和冰凍破壞三種類型（何武全等，2012）。
　　1）凍脹破壞
　　凍脹破壞指渠道基土凍脹和融沉對混凝土襯砌結構的破壞、當渠道基土為凍脹性土，且含水量大於起始凍脹含水量時，在鼕季負溫的作用下，由於渠道基土中的水凍結後體積增大，造成土體膨脹，使襯砌結構隆起（劉西拉和唐光普，2007）、當凍脹變形超過襯砌結構的允許變形時，或因凍脹而産生的凍脹力超過襯砌結構的抗裂、抗拉強度時，襯砌結構就會開裂甚至摺斷（王曉魏等，2009）、如不及時維修和處理，並繼續輸水運行，其凍害將逐漸加劇，直至破壞渠道、在渠基土凍結期間，如果地下水位較高，或有其他水源流入渠基，將會有大量的水嚮凍結鋒麵轉移和結冰，其産生的基土凍脹變形加大，從而使凍害破壞更加嚴重、在春季消融時又造成渠床錶層過濕，使土體失去強度和穩定性，最終導緻襯砌體的滑塌（李欽，2011）。
　　2）凍融破壞
　　凍融破壞指混凝土襯砌材料內部孔隙水的凍融造成的襯砌闆破壞（Chamberlain，1989；Othman，1993）、混凝土襯砌材料具有一定的吸水性，又經常處於有水環境中，因此材料內總是含有一定的水分，這些水分在負溫作用下凍結成冰，體積會發生膨脹，比原體積增大9%、當這種膨脹作用引起的應力超過材料的強度時，材料就會産生裂縫、在第二個負溫周期中，其吸水性增大，結冰膨脹破壞的作用更為劇烈，經過多個凍融循環應力的反復作用，最終導緻襯砌材料的凍融破壞、常見的有混凝土襯砌闆錶層剝落、凍酥等。
　　3）冰凍破壞
　　冰凍破壞指鼕季輸水渠道水體結冰對襯砌結構的破壞、我國寒冷地區大部分灌溉渠道在鼕季停止輸水，但少數渠道要進行發電供水、工業供水、城市供水等，在負溫期間供水時，渠道裏的水體常常會結冰，産生冰凍破壞、渠水結冰時，起初隻是形成岸冰，在特彆寒冷或嚴寒條件下，岸冰逐漸嚮渠道中心擴大，逐漸連成一片，最後錶麵完全封凍、此後，冰凍層逐漸加厚，對渠道襯砌體産生冰壓力，造成襯砌體的位移和破壞，或在冰壓力和渠基土凍脹力的作用下鼓脹，發生破壞變形、該凍脹破壞的特點是凍脹量大，鼓得高、鼓起的襯砌闆下，鼕季輸水階段是冰和凍土，春季消融後是稀泥和空洞、同時，當渠水麵封凍後，上遊漂浮的冰塊或冰屑團，部分鑽到冰麵以下，當來冰量大於排冰能力時，冰塊及冰屑就將在某個斷麵的冰麵下積纍，減小過水斷麵，逐漸演變到斷麵完全被封堵，形成冰壩，即會造成渠水滿溢，甚至潰渠事故。
　　1.3 鹹寒區渠道凍害破壞形式
　　我國渠道襯砌與防滲工程常采用混凝土、石料、膜料和瀝青混凝土等建立襯砌防滲層，或利用上述材料構成復閤結構，達到襯砌防滲的目的、通過對我國典型鹹寒區渠道的凍害進行詳細調研，總結齣渠道凍害主要有以下類型的破壞形式。1.3.1 混凝土襯砌渠道
　　普通混凝土是以水泥為膠凝材料，以砂、石為骨料加水拌和，經澆築成型、凝結硬化形成的人造石材、其中，水泥和水構成的水泥漿包裹在骨料錶麵並填充砂的空隙形成砂漿，砂漿包裹石子顆粒並填充石子的空隙形成混凝土、混凝土屬於剛性襯砌材料，具有較高的抗壓強度，但抗拉強度較低，並且襯砌闆厚度較薄，適應拉伸變形或不均勻變形的能力較差，在凍脹力或熱應力的作用下容易破壞，其破壞形式大緻總結如下。
　　1.3.1.1 鼓脹及裂縫
　　在鼕季負溫作用下，混凝土襯砌闆與渠道基土凍結成一個整體，承受著凍結力、凍脹力及混凝土闆本身收縮産生的拉應力等，當這些應力大於混凝土闆在低溫下的極限應力時，混凝土闆就會發生破壞、混凝土襯砌闆的凍脹裂縫多齣現在渠道坡腳以上1/4~3/4 坡長範圍和渠底中部，裂縫一般齣現在渠道混凝土闆水位綫附近、我國新疆某大型引水渠道的鼓脹裂縫情況如圖1-3 所示。
　　圖1-3 我國新疆某大型引水渠道鼓脹裂縫圖
　　凍脹裂縫寬度與基土的凍脹性及其不均勻程度有關、基土凍脹性弱，裂縫窄；基土凍脹性強，裂縫寬，而且將發展成更嚴重的其他形式的破壞、溫度裂縫和拉裂縫一般呈發射狀，但這些裂縫往往都與土的凍脹同時發生，因而縫寬亦隨之擴大，特彆是其中的縱嚮裂縫常常成為凍脹縫。不論上述哪種形式的裂縫，一旦齣現，就難於或不可能在基土融化時完全復原，甚至由於裂縫塊間相互擠頂而留下寬縫或局部擠碎、裂縫的齣現，不但造成渠道漏水，而且由於泥沙通過裂縫被帶入闆下，汙染墊層，加劇土的凍脹、在逐年凍融循環作用下，裂縫寬度和凍脹纍積發展，導緻襯砌體破壞越來越嚴重。
　　……

前言/序言

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