汾阳市末级渠道抗冻胀处理措施探讨

2013-04-08石炎河

山西水利 2013年6期

石炎河

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024）

汾阳市位于山西省中部，境内有文峪河、汾河两个大型灌区和峪道河、向阳河两个中型灌区，灌区均建设于20世纪50年代，因年久失修而不能充分发挥灌区的工程效益，近年来随着大中型灌区的节水工程改造，4个大中型灌区的骨干渠系进行了不同层次的渠道改造，提高了输水能力，但是由于灌区末级渠系自建成以来一直未进行改造，不能充分发挥农田灌溉的效益，灌区末级渠系改造势在必行。

1 渠道衬砌体的破坏特征

土体含有水分，且温度低于零度以下，土体会出现冻胀现象。当渠道的衬砌体不能抵抗土体的冻胀力时，渠道衬砌体会在冻胀力的作用下产生裂缝、剥蚀隆起、错落下滑等现象。由于汾阳市末级渠系工程衬砌结构形式为现浇和预制混凝土板，这种结构型式抵抗土体冻胀力较差，易发生衬砌体冻胀破坏，本工程主要破坏特征如下。

1.1 裂缝

现浇混凝土防渗渠道冻胀裂缝大部分出现在平行水流方向，根据现场查勘，春浇渠道衬砌体的冻胀裂缝位于边坡的较下侧，渠底有混凝土剥蚀现象，冬浇渠道衬砌体的冻胀裂缝位于设计水位边坡附近。冻胀力较大预制混凝土块不能抵抗冻胀变形，大部分裂缝位于预制块间缝隙处，年复一年的冻胀变形，会促使冻胀量不断的积累，衬砌体的裂缝会出现渠道渗水，进一步加大渠道两侧土体的含水量，会更增加土体冻胀变形量，渠道破坏更加严重。

1.2 剥蚀隆起

在渠道位于挖方段，且地下水位较高，渠道在冬浇后，渠道内的积水不能及时排出，渠道内少量的积水会保持一个冬季，导致渠底混凝土衬砌出现表层剥蚀现象，渠道两侧边坡坡脚处会出现台阶状隆起。

1.3 错落下滑

渠道初期的冻胀变形较小时首先出现裂缝，随着时间的推移，冻胀变形量在不断加大，衬砌体下侧会出现较大空隙，渠道再次过水时，水流会淘空衬砌体下的土体，更进一步加大变形量，当变形量足够大时，会使预制混凝土块错落下滑，致使衬砌体严重破坏，影响渠道正常输水。

2 影响土冻胀的主要因素

影响土冻胀的主要因素有土质、含水量、温度和压力。如经过采取措施后能控制影响土冻胀的主要因素之一，就能减少冻胀量，使衬砌后的渠道更好地发挥农田灌溉效益。

2.1 土的矿物质成分、颗粒和密度

实验表明，土颗粒粒径大于0.1mm的饱和粗粒土中，在其冻结过程中不存在未冻土中的液相水向冻结锋面迁徙，大部分情况下出现向下排水现象，这种土属于弱冻胀性，可用来换填细颗粒土以防止土体冻胀。随着土颗粒粒径的减小，土的冻胀性增强。颗粒为0.05～0.005mm的土具有较大的冻胀量。当粒径更小，达0.002mm后，冻结期间水分迁移量减少，冻胀性减弱，这是由于黏土胶粒存在，使土中水的活动性减弱。

土的密度对冻胀也有一定影响。黏性土冻胀最大时的密度γc一般为（0.8～0.9）γ0（γ0为标准压实时的最大密度）。如果土的密度达到γc并继续压实，冻胀量将随土壤水分迁移量的减少而减小。

2.2 含水量

土体冻结前其本身的含水量决定着土体的冻胀与否。只有当土中水分超过一定的界限值，才能产生冻胀，这个界限含水量一般称之为起始冻胀含水量。

国内外的研究将地下水埋深大小视为冻胀性的重要指标，除地下水位外，降雨和各种排水工程及人工灌溉可以使基土含水率加大，还可形成冻结过程中的外来水源。

2.3 温度

温度条件包括外界负气温、土温、土中的温度梯度和冻结速度等。对于处于封闭系统条件下的粘性土，自土体冻结温度至－3℃左右，土体冻胀量约占最大冻胀量的70%～80%，对于中粗砂，0～－1℃为冻胀剧烈阶段。

2.4 外部荷载

实际工程中，为防止地基土冻胀所需的外部荷载很大，因而单纯依靠外荷载抑制冻胀是不现实的。

3 抗冻胀措施比选

采用抗冻胀结构和措施，应从适应、回避和消除冻胀等方面考虑，采取单一或综合结构措施，使渠道衬砌的冻胀位移满足抗冻胀要求。

目前采用抗冻胀的结构和措施的形式较多，主要有：架空梁板或预制空心板式结构、契形板和肋梁板结构、U形渠道、弧形底渠道、渠床换基处理、排水措施、保温措施、隔水措施及渠床土压实措施等。采用渠床换基处理需要破坏现有渠堤，费用较高；本工程渠道主要为挖方渠道段，地势较平，采用排水措施较难。结合灌区的地形地质条件和施工难易程度，并参照已有工程的实际和使用情况，部分渠道段采用保温措施，预制混凝土板下铺设聚苯板。