浅谈渠道基土冻涨对预制混凝土衬砌渠道的影响及防治措施

丛全日

摘 要：黑龙江省是全国气温最低的省份。冬季平均气温-30.9℃～-14.7℃，极端最低气温，北部漠河曾达到-52.3℃，为全国最低纪录。冬季气温不仅低而且历时时间长。渠道基土受冻涨影响非常明显，预制混凝土衬砌渠道设计寿命一般为20～30年，而实际使用寿命远低于规范要求。甚至经过一个年度就出现不同程度的冻涨破坏，轻者出现裂缝、鼓胀，重者坍塌滑坡，不能发挥正常的输水效益，有的甚至丧失运行价值，不仅直接影响渠道的正常使用，而且增加了修复次数和工程费用。并且每年要耗费大量的人力、物力进行维护。如何防治渠道基土冻涨破坏成为一个非常突出的工程问题。

关键词：冻涨破坏机理；防治措施；优化结构形式；精细化设计

1 渠道基土冻涨破坏的机理

渠道基土冻涨是随温度的变化，有表及里、由浅入深的过程。主要特征为渠基土内出现冰晶体，水结冰时体积膨胀，约增加原水体积的9%，因此出现冻涨。并且土在冻结的时候不仅原位置的水分冻结成冰，并且在渗透力（抽吸力、毛细力）的作用下水分从未冻区向冻结锋面迁移并冻结成冰，使土的冻涨更加剧烈。由于冻结时的土中水分重分布的结果，冻土区、特别是多年冻土区渠基土中水分分布是很不均匀的，在富含水带甚至形成冰层或冰透晶体，使渠基出现严重冻涨。因冰冻而产生的冻涨力顶裂或顶起衬砌板而发生冻涨破坏。同时因土体处于饱和和过饱和的状态，气温回升冻土融化后在外荷载或自重作用下发生沉降丧失其承载力，出现失稳塌陷对工程造成严重破坏。

2 预制混凝土衬砌渠道防治措施

渠道衬砌与混凝土建筑物防治冻涨处理不同，黑龙江省冻土深度在1.8m以上，涵洞、水闸等建筑物可以将基础埋深至冻土以下来缓解冻涨对建筑物的影响，而渠道衬砌是修筑在渠道基土上的薄壁式轻型结构，在冻涨作用下，各部位受力不均匀，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。

渠基土的冻涨性能主要受土质、温度条件、含水量、干密度等因素影响。另外地下水位的埋深对渠道的冻涨也有重要影响，其埋深越浅则对渠道影响越大。

根据渠道衬砌的冻涨因素分析，渠道衬砌的冻涨防治应从以下几个方面入手：

2.1 通过换填冻涨性能小的土质来减少对渠道的冻涨影响

不同土质在冻结过程中水分的迁移量是不同的，黏性土特别是极细碎的黏土，仅有轻微的水分和冰晶体析出，具有一定的冻涨性；而粉质黏土中水分和冰晶体的析出非常强烈，会产生很强的冻涨变形；而砾石土一般不产生冻涨变形。

不同土质的冻涨顺序为：粉质黏土>壤土>砂壤土>重黏土>砂砾土。

因此在渠道穿越洼地或土质为冻涨性较强的粉质黏土、壤土时，可采用无冻涨性或冻涨性较小的砂砾土进行换填。换填厚度40cm～60cm冻涨幅度可减少55%～75%，很大程度上缓解冻涨对渠道的影响。

2.2 采取一定的保温措施来改善渠基土的温度场，阻断其与外界的热量交换

根据工程所处地区不同，用导热系数低并具备一定强度和耐久度的隔热材料，铺设在衬砌层与渠基土之间，一般渠道可全断面铺设。保温材料有炉渣、石蜡渣、沥青草、泡沫水泥、蛭石粉、玻璃纤维、水泥珍珠岩等；对于大型渠道可以采用聚苯乙烯泡沫板，这种材料的物理力学性能、抗无机试剂性能、抗有机试剂性能都比较好。在内蒙古研究结果显示，平均铺设1cm厚保温板达到的抗冻效果如下：

随保温层厚度的增加，冻深成线性减少，保温板铺设厚度一般在3cm-10cm，可根据规范标准选用。

2.3 设置排水沟或抬高渠道来减少地下水对渠基的影响

灌区地下水位一般较高，距离渠基很近，在冻结过程中地下水源源不断的向渠道土层冻结部分转移聚集，造成渠道的冻涨破坏。为了缓解这方面影响，可沿渠道设置排水沟，以隔断田间地下水对渠道基础的补给。也可以视灌溉系统整体情况把渠道修筑到必要的高度以缓解渠侧地下水侵入渠道增大基础含水量。并且在渠道附近设置排水沟或填高渠道基础也可以将渠底水分利用临空面降低和蒸发，以降低渠基含水量。

2.4 采用复合材料设置隔离层

在刚性衬砌下设置复合土工膜等防水材料，不仅可以防止渠水渗漏降低水资源利用率，而且可以因此杜绝渗漏水侵入渠基，降低地下水位，使其含水率维持在较低水平，保证渠基土在冬季来临时含水率小于起始冻涨含水率，使渠道不发生或减少冻涨量。并且在冬季渠基土不同程度冻涨变形，甚至开裂。铺设复合土工膜还能有效的防止第一期供水时渠基土开裂部位未完全恢复原状造成的渗漏、溃渠。

2.5 严格控制渠基土料含水率和压实干密度

根据黑龙江水科所的试验，土的冻涨性与干密度有关，当土的饱和度一定时，土的冻涨性随干密度增加而下降。因此在渠基土施工时，必须控制土料的含水率在最佳含水率范围内，根据试验得到的最大干密度和设计压实度控制施工时的压实干密度。渠基土密实不仅可以降低冻涨对渠道衬砌的影响，还可以降低渠道线路的不均匀沉降，保证供水时达到设计供水位，确保供水效果。甘肃省水科所采用此法加固靖远三场电灌干渠的一段，取得较好的防湿陷和防冻涨效果。

2.6 优化衬砌结构形式

由于渠道衬砌结构形式在冻涨时受力不均，对渠道的影响不同。因此在设计渠道时采用合理的衬砌形式，可以有效的削减、适应或回避冻涨。根据水利部冻土工程国家重点实验室的研究结果，弧底梯形衬砌、弧形坡脚梯形衬砌和小型U形衬砌是比较好的抗冻胀衬砌形式。如考虑现场实际条件制约，对于底宽1.0m～2.0m可增加渠底混凝土厚度，例如边坡标准板块形式为50cm×50cm×8cm，渠底可采用50cm×50cm×（12～15）cm。以缓解渠底中间由于冻涨原因造成鼓起，两块底板无法相互支撑，造成滑坡失稳。对于渠道底宽为2.0m以上的，坡脚处可采用深度0.5m，宽度0.3m的连续齿墙形式，利用齿墙承受边坡混凝土由于自重引起的沿坡面下滑的力。能有效的缓解由于渠底冻涨变形而造成边坡失稳。齐齐哈尔市富裕县塔哈渠道水利工程底宽为10m，就采用齿墙式结构。有效的缓解了边坡对底板的挤压，运行效果良好。

2.7 提高投资比重和精细化设计

渠道设计前期应着重了解项目区的气候和自然条件，不应仅考虑灌溉面积、流速、比降、结构尺寸等基本项目，抗冻要求也仅涉及混凝土。还需要考虑来自于渠基土冻涨对于渠系的影响。应根据项目的不同确定渠道受冻涨影响较大的因素，用以确定何种方式来减少和缓解冻涨影响。提出适合当地条件的结构形式。虽然一次性投资增加，但是减少后期运行过程中大量的维修成本。从全寿命周期成本来看，采用合理的预防措施要比每年大量维护、返修成本少的多。

2.8 加强渠道的运行管理

由于冬灌对衬砌渠道的损害相当严重，冬灌停水越迟，冻害越严重，因此最后在基土冻结前适当安排冬灌时间必须冬灌的渠道，在负温下应连续供水，并保持在最低设计水位以上运行。每年及时对衬砌渠道的裂缝进行修补，保持封顶完好，不允许有外水渗入渠道砌体背后。保证各种排水系统畅通，每年渠道运行灌水结束后，及时排净渠道内积水，减少渠道内由于积水对于底板冻涨影响。另外可以在渠道附近植树，应用生物排水，植树位置不宜距离渠道过近，且不适宜种植杨树以免根系对渠道造成破坏，可种植低矮灌木或柳树每年进行收割，即起到了排水、稳固边坡的效果，也绿化了环境增加经济效益。

3 结束语

渠道冻涨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、施工和运行管理等各方面入手，采取综合防治措施，才能有效的削减、消除和回避冻涨，节省人力物力，节约水资源，充分发挥工程效益。

参考文献

[1]陈肖柏.冻土力学与地基基础.中国科学院冰川冻土研究所.