明渠衬砌冻胀破坏成因分析及防冻胀措施研究

曹 倩，孙 博，曹文京

(山东省胶东调水局，山东 济南250010)

明渠衬砌冻胀破坏成因分析及防冻胀措施研究

曹 倩，孙 博，曹文京

(山东省胶东调水局，山东 济南250010)

山东省胶东调水工程所在区域位于暖温带季风气候区，有明显的海洋性气候特征，在冬季引水时，受到低温、冰凌影响对明渠衬砌工程产生冻胀破坏，严重影响引水安全。从渠道的冻胀原因入手，寻求合理的防冻胀措施。

渠道;衬砌;冻胀破坏;成因分析;措施

山东省胶东调水工程位于我省胶东半岛北部，渠首至引黄济青宋庄分水闸段为利用现的引黄济青工程，输水线路长160.5 km;宋庄分水闸一威海市的米山水库为新辟线路，输水线路长306.703 km，是一项以输水为主，同时兼顾防洪、排涝、灌溉等多功能于一体的长距离跨流域调水工程。胶东地区引黄调水工程输水明渠位于我省胶东半岛的东北部，渠首位于昌邑市引黄济青输水河设计桩号160+500处，输水明渠沿莱州湾海岸，向东北方向至龙口市的黄水河泵站，输水线路全长159.609 km，途经昌邑、平度、莱州、招远、龙口共5个县级市。胶东调水工程输水明渠段工程位于暖温带季风气候区，但具有明显的海洋性气候特征。多年平均气温11℃～14℃无霜期为200～220 d。多年(1956～2010年)平均降水量654.0 mm是我省降水量低值区。年平均蒸发量在900～1 000 mm之间，属于半干旱半湿润地区。处于季节性冻土地区，地表层存有冬冻春融的冻结融化层，土体发生的物理力学性质的挤压和减压变化，直接影响着上部建筑物的稳定性，如地表冻胀隆起、融化沉陷，导致基土上建筑物受到不同程度的破坏。渠道冬季输水，形成大气与水之间的热量交换，当水面负温时，即开始结冰，经过冰絮、岸冰、流冰、封冻、解冻等过程，流冰中的冰塞、冰坝和壅高将对渠道上建筑物和渠道两侧起到破坏作用，产生的渠道变形、开裂和滑塌现象，严重影响了工程的正常运行和效益的充分发挥，大大降低了渠道的使用寿命。

1 渠道砼衬砌冻胀破坏的影响因素及成因分析

1.1 影响因素

渠道冻胀破坏是由于渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌板，从而使衬砌板也承受不均匀冻胀变形的作用，当衬砌体内弯曲应力或剪应力超过一定范围时，便产生衬砌体的冻胀、裂缝鼓起、错位等形式的破坏。根据施工现场看，造成渠基土受冻引发衬砌不均匀冻胀破坏的影响因素主要有以下几点。

1.1.1 土质

在一定负气温条件下，当土质中的水发生水分迁移和分凝冰层时会导致土质冻结，进而造成砼衬砌冻胀破坏。而不同的土质冻结过程中，土质的水分迁移量不同，即土的冻胀敏感性不同。根据资料说明，土的冻胀敏感性决定于土颗粒的分散性、矿物成分等。一般随着颗粒粒径减少和分散性增大，其冻胀性也增大。粒径＜0.01～0.05 mm时就会发生冻胀，粒径为0.05～0.002 mm时，具有最大的冻胀性，当粒径＜0.002 mm时，冻胀性相应减弱。在自然条件下，不同土壤的冻胀量顺序如下:粉质粘土＞壤土＞砂壤土＞重粘土＞砂土＞砂砾。

1.1.2 含水率

从材料来说，渠道衬砌的材料具有一定的孔隙，其内部所含有一定的水分，在低温下结成冰，体积会发生膨胀，当这种作用引起的应力超过材料强度时，就会使衬砌体表面产生一定数量的小裂缝。再经过数次的周期性冻融循环，衬砌裂缝的扩展增强了渗漏，加快了基土的冻胀及衬砌的冻胀破坏。因此，渠基土的含水率是渠道砼衬砌冻害的决定性因素。渠基土含水率大，冻胀量就大;含水率小，冻胀量就小。同时，地下水位的埋深也对渠道的冻胀有重要的影响。山东省水科院经试验认为，对土体冻深有影响的地下水埋深范围(L)应≤土壤毛细水上升高度(H)与土体冻深(Z)之和，即L≤H+Z。

1.1.3 温度

介质温度愈低，土中水分相变成冰愈多，冻胀愈强。低温时渠道输水使大量水分渗入土体，使砌体下土体水分增大。冷空气的侵袭，使土体水分迁移引起分凝冰层产生，导致土体冻胀和融弱层的出现及冷锋面的变化，破坏土体原结构。长期的低温，使土体表层与深层冷暖面温差越来越大，冻结缘不断将未冻区域水分迁移到冰凝层，使冻结缘越来越厚，在地下水位较高地域更严重。

1.1.4 走向

渠道的走向不同，使各断面的日照、风速和温度状况有很大差别。南北走向的渠道阴阳两坡条件相似，冻结规律大致相同，但由于坡顶为二向冻结，受风的作用较大，含水量较小，表现为渠坡上部冻深最大，渠底最小，阴坡冻深略大于阳坡10%～20%;东西走向的渠道由于日照的影响，阴阳两坡冻结与冻深差别明显，阴坡开始冻结日期比阳坡早，冻结深度也较大。

1.1.5 衬砌材料和结构形式

从材料方面说，渠道衬砌的材料具有一定的孔隙，又经常处于水环境中，其内部总是含有一定的水分，在低温下结成冰，体积会发生膨胀，当这种作用引起的应力超过材料强度时，就会使衬砌体表面产生一定数量的小裂缝，再经过数次的周期性冻融循环，衬砌裂缝的扩展增强了渗漏，加快了地基土的冻胀及衬砌的冻胀破坏，加剧水分进入衬砌体内部，从而使衬砌体产生剥蚀。从结构方面来说，渠道衬砌是修筑在渠道基土上的薄壁轻型结构，在冻胀作用下，各部位的受力不均匀，衬砌体适应能力不强，也易使砌体破坏，如衬砌板断裂，坡板滑塌等。

1.2 渠道冻胀破坏成因分析

研究和试验表明，造成渠道冻胀破坏的主要因素为低气温、冻胀性土壤及高含水量。输水明渠所经胶东地区，冬季气温低，负温持续时间长，土壤组成多为粉粒含量高的冻胀性土壤，沿线地下水位虽然不高，但输水时间主要集中在冬季，输水期间含水量也会相对较高，因此输水渠在运行过程中必然会出现渠床土壤冻胀现象，可能造成渠道衬砌的破坏。根据渠道所经地区的地质条件、渠道走向及衬砌方式，分析计算各渠段、各部位的冻胀量，确定采取防冻保温的措施。

渠道边坡衬砌层和其下冻土层之间冻结约束的存在与否是边坡衬砌层会不会受冻胀力的必要条件，若此约束存在，则可能出现冻胀力，若此约束解除，则其不受冻胀力作用。现浇混凝土和预制混凝土板属于刚性衬砌材料，板体较薄，具有较强的抗压强度，但抗拉强度较低，适应拉伸变形和不均匀变形的能力低。因此，当衬砌板与渠坡间不存在或存在较小的冻胀力的情况下，坡面衬砌混凝土板将向外推移;当衬砌板与渠坡间存在较大的冻胀力的情况下，就会在坡面下部发生折断、隆起、架空等形式的破坏。

在冬季气温降至0℃以下时，由于渠床土中含水量不同和土壤冻胀量不同，造成断面上各点的冻胀不均匀，是衬砌渠道破坏的根本原因。渠床土产生不均匀冻胀的原因有以下几个方面:渠床土壤分布不均匀，不同的土壤有不同的冻胀敏感度;渠床土含水程度不同，产生不同的冻胀力;渠道受日照的程度不同，使渠床温度不同，引起不均匀冻胀。

梯形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的主要原因是混凝土衬砌阴坡和阳坡板与渠底板固结，而且渠道混凝土衬砌体被渠床冻土约束，当气温降到结冰点以下时，首先在衬砌板和土层接触面间的孔隙中产生冰晶体，在毛细力作用下，土体中的水分向冰晶体迁移，使冰晶体越来越大。温度继续降低，在渠基土孔隙中也产生了冰晶体，同样在毛细力作用下，更深部位土体中的水分向上部迁移，上部土体中冰晶体逐渐增大，土体冻胀更大，并形成冻土层，土体体积膨胀表面隆起，随气温的再降低，冻土层的深度逐渐加深，冻胀量逐渐增大，冻胀力逐渐增大，致使混凝土衬砌板结构内产生了较大的弯矩和较大的拉应力、压应力，当阴坡板、渠底板和阳坡板受到的弯矩、拉应力和压应力超过所承受的极限时，渠道混凝土衬砌板就发生冻胀破坏。

2 冻胀分析计算

从冻胀破坏成因的分析中可以看出，地下水位、渠道走向、渠床土壤的性质及运行工况决定着渠床土壤冻胀位移的大小。因此，胶东调水输水明渠工程根据沿线不同的土壤地质、地下水位值、渠道走向等进行分析，取典型断面进行计算。

2.1 计算条件

冬季输水结束后渠道内无水，地下水位按最高值考虑，选取断面上不同位置的7个控制点，分别进行计算。断面控制点的位置见图1。

2.2 冻胀量计算

胶东地区引黄调水输水明渠段冻胀量的计算，根据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23—91)，采用各地市的气象资料进行计算，并参照与其地理位置、气象、气温条件相近的引黄济青输水河平度段的冻深资料及计算成果进行分析确定。

图1 冻涨量计算控制点位置图

2.2.1 冻结深度的确定

最大冻深根据《冻土地区建筑地基基础设计规范》(JGJI18一98)中“中国季节冻土标准冻深线图”选取。胶东调水工程输水渠各段标准冻深见表1。

表1 输水渠沿线标准冻深计算表

设计冻深根据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23—2006)中公式 3.1.3 确定。

式中:Zd为工程设计冻深(cm);Zm为历年最大冻深(cm);φd为考虑日照及遮荫程度的修正系数;φw为地下水影响系数。

选取明渠典型断面进行计算，经计算，设计冻深在34.34～88.52 cm 之间。

2.2.2 冻胀量的计算

采用《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23—2006)得出各典型断面不同控制点的冻胀量。根据规范规定，Ⅰ级工程梯形断面渠道混凝土衬砌结构冻胀允许法向位移值为5 mm。由计算结果可知，渠坡及渠底冻胀量均大于允许位移值，需采取保温措施。

3 渠道衬砌抗冻胀防护措施分析

由于混凝土的造价较高，我国均采用薄板衬砌，不能采取抵抗性措施来达到防治冻害的目的，必须从适应、回避、削减或消除冻胀等方面因地制宜地选用经济合理的一种或多种措施来解决渠道防冻胀破坏的问题。对于土的冻胀性为Ⅰ、Ⅱ级渠道，冻胀位移值与衬砌允许位移值相差不大，可采用适应冻胀位移的结构措施解决防冻胀破坏的问题;Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级冻胀性渠道，位移值与允许值相差较大，多采用回避、削减或消除冻胀的措施方案解决防冻胀破坏的问题。

3.1 适应冻胀法

主要是通过合适的渠道建筑材料、断面结构和衬砌分缝来适应冻胀变形。如断面结构采用弧形、弧形坡脚梯形、整体式混凝土U形槽断面等型式。对于采用刚性材料衬砌的渠道，调整混凝土衬砌板纵横缝的距离、缝形、缝宽和填充材料，防止衬砌板隆起、裂缝，以适应削减冻胀变形。现浇混凝土大板衬砌，建议纵向每隔3～5 m横缝;沿垂直渠线方向间隔1～4 m设一纵缝;缝宽10～13 mm。

3.2 削减冻胀法

当渠基土壤出现最大冻胀量，在冻胀融化的反复作用下，衬砌体产生冻胀累积变形和残余位移破坏。在技术经济等方面适应、回避等方法难以解决，考虑采用削减或消除冻胀法，将渠基的最大冻胀量削减到衬砌结构允许位移范围内。削减冻胀量的措施有:置换砂砾垫层、隔热保温、压实干密度、防渗排水等

3.2.1 沙砾垫层置换基土

沙砾垫层置换基土技术是指用风积砂、砂砾石等弱冻胀性土，置换渠基原有土壤，降低冻胀量的方法。其换填厚度根据土壤类别、地下水位埋深确定，可按下式计算:

式中:Zn为换基厚度 ，m;ε为换填比;δo为防渗层厚度，m;Zd为换基部位的设计冻深 ，m。

在工程中，为了避免粗砂换填设反滤层不经济、难施工和水流挟带泥沙易进入换填层影响质量的缺陷，可采取纤维砂袋换填的新方法。砂袋可起到隔离、排水和反滤3种作用，施工中易于搬运铺设，对外力的破坏有一定的适应能力，导水性弱，可较好地阻止冻结期基土中水分向换填层中转移，整体性强，能增强边坡的稳定性。

3.2.2 采取保温措施

在衬砌体下部设置隔热保温材料，割断下层土的水份补给，以消减冻深和冻胀，相应减小置换深度。当前在国内、外广泛的应用聚苯乙烯泡沫塑料，平均每厘米厚保温板可提高基土温度1.3℃ ～1.8℃，阳坡为0.7℃左右。平均每厘米厚保温板可减少东西走向渠道阴坡为6.8～11.3 cm，阳坡为5.0 ～11.7 cm;南北走向渠道阴坡 9.5 ～10.4 cm，阳坡为6.9～9.5 cm的冻深值，并随保温板厚度的增加冻深呈线性规律减小。在不同渠道走向阴、阳坡保温板厚度上，东西走向渠道阴坡上部铺设4～5 cm，下部铺设8～10 cm厚保温板，阳坡上部铺设3 cm、下部铺设5 cm厚保温板，南北走向渠道阴坡上下部铺设5～8 cm、阳坡上下部铺设3～5 cm保温板。可基本或完全消除冻胀量，减小产生冻胀破坏。

3.2.3 提高基土密实度

用压实和强夯提高渠床非粉质粘性土的干密度，降低孔隙率、减弱透水性，从而削减冻胀能力，阻碍水份迁移聚集，达到防止冻害的目的。施工过程中，按照土石坝碾压施工要求，用压实或强夯分层碾压，提高基土密实度。要求干密度达到1 650 kg/m3，使强冻胀土变成无冻胀土壤，从而达到防治冻胀的目的保证填筑标准。由于提高了填方的密实度，减少了土壤的空隙，提高了不透水性，减少了渗漏和基土的含水量，有助于防止基土冻胀。

3.2.4 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新材料)降低地下水位和基土含水量，把渠床冻结层中的重力水或渠道旁渗水排出渠外。当深层地下水埋深大于工程设计冻深时，可在渠底每隔10～20 m设一盲井，使冻结层有排水路时，同时可在工程设计冻深底部设置纵、横向暗排水系统，把冻结层水或渠道旁渗水排出渠外，防止渠床土产生冻胀。

3.2.5 蓄水保温法

根据天气预报和当地气温改变初水期和停水日期，使冰冻期渠道处于干燥无水，减小冻结内因，避免冻胀。或者不间歇输水，达到一定流速的水流在－10℃以上可防止渠道土体冻结。具体办法是在冻结期以前进行蓄水保温，使土体含水量在冰结期以前降低至非饱和状态，或者冻结期不间歇地输水运行，直到冻结期后，使渠道土体始终处于动水影响下，防止渠道土体冻胀。当然用此管理调节运行减小冻胀只适用于气温不很低的情况。

4 防冻胀工程施工

实践证明，采取单一措施是难以达到防治衬砌工程的冻害的目的，要针对产生冻胀的因素，采取有主有次的综合措施。不但是规划布置、渠道设计、排水、保温、衬砌结构等措施经济合理，而且要重视施工质量、管理维修，防治冰、冻害预案，才能达到满的防冻害效果。施工中应注意以下几点要求:一是保证有良好的排水系统。无论是采取适应、回避和削减等措施都要建立在良好排水系统的基础上，有外排条件的尽量外排，没有外排条件的采取内排型式，必要时采取强排措施。施工中要搞好反滤层、防止淤塞、管涌和流土。二是保证防渗工程质量，防止漏水。如铺设防渗层，处理好膜料接缝;处理好混凝土板冻变形缝的填料，施工中不能刺破防渗层，刺破后必须粘补密封。三是置换工程要选择好砂砾料级配，保证回填质量;压实工程要保证实压厚度和干密度;保温板要符合设计质量要求，铺设的粘结质量要求牢固耐久。四是建立施工质量控制与质量体制，保证施工质量达到设计要求，对于混凝土、砂砾料、保温板与土和膜结合的稳定等一些关键技术都应预先进行试验和施工测试，取得经验后才正式的施工。

5 结论及建议

渠道冻胀破坏是影响衬砌防渗效果和渠系工程发挥效益的主要原因之一，只有从规划、设计、施工和管理等各方面入手，采取综合防治措施，在工程材料、结构型式、设计方法、施工工艺等方面深入研究，形成更加系统的渠道防渗防冻工程技术才能有效地削减、消除和回避冻胀，节省人力物力节约水资源，提高工程耐久性，充分发挥工程效益。在今后的研究工作中，以下几点有待进一步加以解决。一是在冻深、冻胀预报和冻胀性工程分类等方面，仍比较粗糙，参数取值范围还很大，需结合国内外已发展起来的冻胀模型，采用经验和理论相结合的方法，使其更为理性，更加精确;二是施工机具是提高工程质量和加快工程进度的重要设备，而现有工程中大量采用的梯形渠道，却没有适用的衬砌机械问世，多采用人工施工，容易造成质量隐患，这种状况应尽快改变;三是渠道防渗防冻胀工程技术复杂，应加大科研投入，加强跨行业合作，进一步研究防渗、高强、抗老化、适应冻胀变形的新材料、新工艺，开发大型的衬砌施工机械，以提高工程的质量和技术水平;同时，加强技术培训和宣传推广，建立健全工程设计的审查评议和工程施工的监理监测各项制度。

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1004－1184(2012)04－0173－03

2012－04－19

曹倩(1986－)，女，山东聊城人，助理工程师，主要从事安全生产与质量监督工作。