关于混凝土衬砌渠道遭受冻害的探究

李 钦

（高密市水利局，山东 高密 261500）

1 前言

在山东地区的季节性冻土地区，有多种防渗衬砌渠道在工程中得到了应用，而刚性衬砌渠道受气候影响最为严重，由于冻胀破坏产生的变形、开裂以及滑塌影响了工程的正常运行和效益的充分发挥的同时，也降低了渠道的使用寿命，让防渗渠道的功效大大降低，为此，只有进一步了解防渗衬砌渠道的冻胀规律，研究其起因，才能寻求合理有效的抗冻胀措施，保障渠道工程的有效运行。

2 衬砌防渗渠道的冻胀破坏形式

2.1 表面剥蚀

由于混凝土材料内含有水分，再加上施工条件的限制，表面混凝土内水分含量并不平衡，在冬季低温下材料内水分容易冻结成冰，体积膨胀，当其作用力大于混凝土强度时就会产生裂缝并增大吸水性，如此经过多个冻结，即融化循环和应力的反复作用，混凝土表面砂浆层就会逐渐剥蚀，捣振不实的混凝土材料会出现冻酥现象，严重危害整个渠道的运行。

2.2 整体上抬

在渠深1 m左右的较小渠道内，基土的冻胀不均匀性小，如果基渠大面积受冻，尤其是在衬砌整体性较好的渠道内易发生整体的上抬，这种破坏性的上抬也是危害渠道安全的一种普遍形式。

2.3 鼓胀及裂缝

天气寒冷时，渠道衬砌容易出现冻胀裂缝，而且多出现在顺水流方向尺寸较大的混凝土板上，裂缝的位置一般在渠坡脚以上1/4～3/4坡长范围内和渠底中部，当冬季渠内存水较多时，则会出现在水面附近的渠坡上。

2.4 隆起和架空

在地下水位较高的渠道内，渠床基土距地下水位近，冻胀量较大，而渠顶冻胀量相对较小，这就容易造成混凝土衬砌大幅度的隆起和架空。这种现象一般会出现在坡脚或水面以上0.5～1.5 m坡长处和渠底中部，有时也会顺坡向上形成数个台阶状隆起。

2.5 冻融滑塌

渠道衬砌的冻融滑塌主要有两种表现形式：一种是由于冻胀隆起和架空原因使坡脚的支承受到破坏，从而导致衬砌板垫层失去了稳定平衡，因而基土融化时，上部板块顺坡向下滑移、错位、互相穿插；另一种是渠坡基土融化时的大面积滑坡，渠坡滑塌，导致坡脚处混凝土板被推开，上部衬砌板塌落下滑。

3 造成混凝土衬砌渠道冻胀的原因

从混凝土衬砌渠道遭冻胀破坏的表现形式来看，造成的原因可以分为以下几个方面：①对冻胀和冻害的防护条件不够，基本的防冻措施不足；②混凝土是刚性衬砌材料，较薄，抗拉强度较低，适应拉伸变形或不均匀变形的能力差，在冻胀力或热应力的作用下容易破坏；③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，创造了结冰的条件；④冬季寒冷，持续低温冷空气的侵袭，易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；⑤渠道周围土体多孔松散的特性为水分形成了存在和迁移空间。

4 混凝土衬砌渠道的防冻害措施

综上所述的混凝土衬砌渠道的防冻类型和成因，在实际工程施工过程中应结合具体的条件，从降低渠道基土的水分含量、隔断外界水源对渠基的补给、降低地下水位、进行管理维护几个方面考虑，采取以下措施：

4.1 压实法

压实法是用压实或强夯提高基土密实度、减少基土层水分蕴含量的一种抗冻措施。在渠道施工过程中按照土坝施工要求，逐层碾压强夯，达到干密度1 650 kg/m3的要求，让强冻胀土转变成无冻胀土层，进而达到防冻胀的施工目的。

4.2 排水法

在渠床冻层下设置纵、横向暗管排水系统，排水管可采用带级配的反滤砂石料，也可用波纹塑料管或土工织物等材料，来降低基土含水量和地下水位，把渠床冻结层中的蕴藏的重力水或渠道旁的渗水排到渠外。

4.3 隔水法

在衬砌板下采用埋藏式隔膜（如塑料薄膜、土工膜、沥青油毡等）隔断地下水对冻层的补给，同时防止渠道内渗水，以减小渠床的冻胀，减少渠道破坏，铺设隔膜时要注意隔膜的边缘的压缝，其次注意清理土层动植物，避免对隔膜的穿刺影响隔膜的效果。

4.4 替代法

在冻结深度内将衬砌板下的冻胀性土用砂砾石等非冻胀层代替，替代材料与原状土之间应设置反滤层或者用非织造土工织物隔离，同时替代层必须具备排水条件。置换深度可根据冻深的分布状况和衬砌结构的允许变位值计算确定。

4.5 优化结构

常用的断面形式有混凝土“U”形渠、弧形坡脚渠、梯形、弧形渠等。混凝土衬砌结构采用楔形板、梁肋板、空心板等增强断面抵抗能力。冻胀量较大时，可采用架空渠槽法或地下埋管法消减冻胀破坏。

4.6 防治冻害的管理措施

衬砌渠道的路线应尽量避开冻胀土和地下水埋深较浅的地段，尽量采用填方渠道，对挖方渠道应同时考虑旁渗水的排除措施。冬季不运行渠道，应在日平均气温稳定进入0 ℃前10 d停水；冬季运行渠道，在负温期必须连续通水，并保持在最低设计水位以上运行。每年应进行一次衬砌体的裂缝修补，使砌缝间填料保持原设计状态；衬砌渠的封顶应保持完好，不允许有外水渗入衬砌体背后，应及时修补各种排水措施，保证排水通畅，冬季不运行渠道应在停水后及时清障，不允许渠内和排水沟内积水，渠堤外侧，应植喜水性树木护堤。