寒冷地区衬砌渠道冻胀机理及防治措施

石文明，于小威

（南水北调中线干线工程建设管理局 河南直管建管局，河南 郑州 450000）

0 引言

渠道衬砌由于多属刚性材料，具有体轻、抗拉强度较低、适应拉伸变形或不均匀沉陷能力较差等特点，其冻害较其他水工建筑物更易发生，冻害程度也更为严重。因此，渠道衬砌冻害遍及所有寒冷地区。

我国寒冷地区主要分布于甘肃，青海，新疆，西藏，四川西部的阿坝、甘孜，云南北部的玉龙雪山和高黎贡山，黑龙江的东北和西北部，内蒙古东北部等地。在这些地区，渠道衬砌工程均存在不同程度的冻胀破坏。许多渠道衬砌工程往往在建成后的第一年冬季就出现冻土上抬、裂缝和严重变形，随后这些冻害现象逐年加剧，3～5年后，有的渠道即遭完全破坏。有的工程虽未完全损毁，但也需年年维修，花费大量投资和劳力。本文分析了混凝土渠道的冻胀机理，提出了其防治措施，以期能为类似工程提供参考。

1 混凝土渠道的冻胀机理

1．1 渠基土的冻胀因素

土是一种多孔、多相的松散介质，其组成物（矿物颗粒、有机质、孔隙水和气）的排列组合一般是无序的。 水的密度为 l t／m3，冰的密度为 0．9 t／m3，当土中的水冻结成冰时，体积要膨胀9%，从而产生冻胀力，排开土颗粒［1］。当渠基土中的水冻结成冰时，会产生胶结力，该力会使冻土与渠基牢固的胶结在一起。当冻胀力足以使渠道底板产生不允许变形或丧失稳定时，渠道就产生了冻胀破坏。

1．2 渠基土的融沉因素

冻土中存在着各种构造的冰，这些冰在融化以后体积缩小，使土在自重作用下产生一定量的下沉。冰变成水后，在自重和外荷载作用下沿孔隙排除，从而使土进一步压缩下沉。渠道边坡的地基土融化时，当其沉降量超过渠道边坡允许变形量时，渠道边坡则会产生滑塌破坏。冻土地基融化时，沉降量的大小主要取于建筑物自重大小，冻结土层的深浅和冻土含水量的多少。

1．3 渠道衬砌材料的冻胀因素

渠道的防渗防冻工程多采用预制混凝土板或现浇混凝土衬砌，这两种形式都属于刚性衬砌。混凝土衬砌冻胀破坏的主要原因主要有两个方面[2]。一方面是混凝土衬砌板具有板薄、体轻的特点，虽具有一定的抗压强度，但抗拉及抗弯性能较差，适应拉伸变形或不均匀变形的能力弱。另一方面是由于衬砌结构很大，不均匀冻胀变形被渠床冻土所约束，加之衬砌板之间的相互约束，从而使得衬砌结构在较大的法向冻胀力作用下产生较大的弯矩和拉应力。当这些力超过其极限承载力时，衬砌结构会发生胀裂等破坏现象。渠道衬砌板的胀裂又容易导致渠道渗漏，并增加基土的含水量，从而必然加剧冻胀破坏的进程。在年复一年的周期性冻融循环作用下，基土的冻胀变形逐年积累发展，使得衬砌体的破坏越来越严重。

1．4 渠道砌体自身因素

渠道工程结构简单，面积大，线路长，与地基土接触面积大，应力集中点多，所以，易受冻胀破坏。另外，渠道大部分是应用当地材料、由群众修建的工程，由于建筑材料种类多，施工技术往往不能满足抗冻要求，所以，较易受冻胀破坏。

2 渠道冻胀破坏的预防措施

2．1 新建渠道的科学规划[3~4]

在渠道衬砌的规划设计当中，应尽量避开可能发生较大冻胀量的自然条件，或者在较大冻胀量的条件下，避开冻胀量对渠道衬砌的破坏作用。为此，在拟进行衬砌的渠系规划中，应满足以下要求。

（1）尽可能避开黏、粉土壤的渠床，选择不易产生冻胀的沙砾类渠床。

（2）尽可能避开地下水位较高的地段，或将渠底控制在地下水毛管上升高度以上，使地下水自地表算起的埋藏深度不小于渠道挖深、土壤毛管水上升高度和冻深的和。

（3）尽可能采用填方渠道，不用或少用挖方渠道。

（4）尽量使渠线处于地势较高的脊梁地带，避免渠线两侧的地面降水或农田灌溉水入渠。

（5）在有坡面旁渗水和地面回归水入渠的渠段，应尽量做到渠、路、沟相结合，或者专设排水措施。

（6）沿渠道布置林带，最好是多种植柳树。因柳树根丝发达，密集伸向水源，可以改善渠床土质，有利于防止冻害。

2．2 选择合理的结构形式[5~6]

渠道坡板和底板在坡脚处的相互约束使临近坡脚处产生较大的冻胀力。该冻胀力分布很不均匀，导致渠坡和渠底很容易发生冻胀破坏。采用整体 U形混凝土结构、弧形坡脚梯形混凝土结构或是弧形底梯形混凝土结构等都可以改善渠道的断面形式，特别是改变坡板和底板连接处的形式，可有效改善坡板和底板之间的约束，达到减轻甚至消除冻胀的目的。

U形混凝土衬砌渠道具有刚度大、整体性好，冻胀量分布均匀，承载能力较强等特点，主要用于半径不大于1 m的小型渠道。在较小的冻胀作用下，U形渠道的变形以垂直整体上抬为主，混凝土裂缝较少，且在地基土融化以后，能够很快回落，不易造成对衬砌结构的破坏。在寒冷地区，U型渠道的厚度应不小于6 cm。在较温和地区，U型渠道的厚度也不应小于4 cm。混凝土强度等级不应低于C15。为了增加U形断面上部衬砌的稳定性，在圆弧以上直线部分，宜带有一定边坡，坡度系数可取 1∶0．1～1∶0．2。 但是，该形式应用于大型渠道工程中时，施工会有一定的难度，工程造价会受到影响。

弧形坡脚梯形混凝土衬砌渠道的底板和边坡的连接较为平滑，避免了因梯形渠坡脚处约束作用而造成很大的不均匀冻胀变形，因而可以改善衬砌的不均匀冻胀，减少冻胀破坏。

2．3 置换劣质基土

渠道衬砌结构的冻胀破坏主要是由于下部基土在温降过程中发生冻胀变形，当衬砌体无法适应这种不均匀形变时，就会出现隆起、开裂、甚至错位滑移现象。所以，将冻层内冻胀土的一部分或全部置换成非冻胀土，是削减渠道冻胀的有效措施之一。置换比例应视渠基土质和地下水埋深而定。当土质为沙壤土、壤土、轻黏土，地下水埋深大于冻深加临界深度时，应置换冻深的40%～70%；地下水埋深小于冻深加土壤临界深度时，应置换冻深的50%～80%，甚至100%。若置换的材料与混凝土不同，应再铺一层防渗膜料。换填风积沙，基土冻深随换填厚度的增加而增大，冻结基土的含水率随换填厚度的增加而减小，冻胀量随换填厚度增加而减小。南北走向的支渠，渠底换填风积沙40 cm冻胀量可削减55．5%，换填60 cm，冻胀量可削减74%，且没有产生冻胀破坏。

2．4 采取保温措施[7~8]

采用具有良好保温效果的材料可阻止或削弱渠床土与外界的热交换，减少基土的温度下降幅度，从而减少冻结深度，防止冻胀破坏。基于使用材料的不同，保温法又分为蓄水保温、珍珠岩保温和泡沫塑料保温等。

（1）蓄水保温。水结成冰时，释放出大量潜热。对于渠道衬砌来说，蓄水保温可以使水面（冰面）渠床以下的基土温度大于0℃，保证控制水位以下的衬砌体不出现冻胀破坏，但不能使水位以上的衬砌体免受冻胀作用。因此，渠道衬砌蓄水保温必须结合其他相应防冻措施一并实施。

（2）珍珠岩保温。珍珠岩是一种酸性火山玻璃质岩石，具有轻质、吸音、隔热、导热系数小，适用温度广、化学性能稳定、无毒无味等特点，其产品已被广泛应用于建筑工业，以供保温、隔热、吸音使用。但是，膨胀珍珠岩及其制品具有很强的吸水性，吸水后，保温效果大为降低。为使其在衬砌渠道上发挥出良好的保温作用，山东省水科所等单位经数年时间成功地研制出憎水珍珠岩板，解决了它的吸水问题，并成功地应用于渠道衬砌工程。憎水珍珠岩板单位厚度的保温能力一般可达0．9℃／cm以上。

（3）聚苯乙烯泡沫板保温。聚苯乙烯泡沫板是一种保温性能良好的防冻保温材料，具有保温性好、成本低、施工简单可靠的特点。近年来，国内有关单位亦先后开展了防冻胀的试验及研究，并在引黄济青输水河、北京京密引水渠昆玉段等衬砌工程上大规模应用。研究和应用均表明，其隔热效果良好，单位厚度保温板的隔热作用一般可达 1．8～2．0℃／cm。 当混凝土衬砌板下铺设一定厚度的聚苯乙烯泡沫板后，可有效地削减或消除渠床的冻胀。同时，在外力作用下，泡沫板具有一定的变形性。因此，即使板的隔热作用没有完全消除渠床的冻胀，亦可以在一定程度上削减不均匀冻胀对衬砌的作用，有助于防止集中内力的产生。在工程实际中，采用混凝土板下铺设5 cm厚苯板和30 cm厚沙砾石的复合结构，防冻胀效果最好，是一种较理想的渠道衬砌结构形式。

2．5 隔水法以及排水法

采用埋藏式隔膜（如塑料薄膜、油毡、人造橡胶膜等）隔断地下水对冻层的补给，达到减小渠床的冻胀变位。在秋冬季，当渠道不行水且衬砌体无渗漏时，隔膜可采用全封闭式；当衬砌体有渗漏时，隔膜底部应预留渗水孔，并在隔膜下设置排水体以使重力水渗入底土层。在地下水位接近渠底或旁边有渗水入渠时，应尽可能采用渠底暗管排水措施。渠底排水设施一般由垫层和纵、横向排水管等组成，排水管的大小和数量视排水量的大小而定。

2．6 化学固化法

（1）在渠床基土中掺入非亲水性的收敛物，使土具有抗水性，从而削弱土的冻胀特性。

（2）在渠床基土中掺盐，降低土的冻结温度，达到减少冻深的方法。该方法由于使用的材料价格较高，且耐久性差，在生产实践中应用不多。

2．7 防止渠道冻胀的管理措施

（1）合理确定每年春季开始灌溉的时间和冬季停止灌溉的时间。冬季停水时间应在负气温到来之前，以便土壤有一定的排水时间。对一般土壤，停灌时间应比气温稳定通过零度日提前7～10 d。对亲水性强、排水性能差的渠道，停灌的时间应适当提前。春季开灌时间不能早于气温稳定通过零度日，如灌溉许可，最好在冻胀变形回复、裂缝基本闭合后过水。

（2）主干渠道附近的地块和林带的冬灌要提前，应在进入负温以前15 d灌完。

（3）春季灌盖以前，应对对渠道衬砌裂缝及时修补。

3 结语

在我国寒冷地区，有许多重要的饮水灌溉渠道由于长期冻融循环，衬砌结构变形失稳、渠道淤积堵塞的现象十分普遍，严重影响了渠道的安全运行，造成极大损失。因此，在渠道工程建设过程中，或者在已经出现冻胀问题的混凝土渠道中，应该结合当地实际，采用合理的防治冻胀措施，对混凝土渠道进行建设和修护。从目前的各种防冻胀衬砌形式来看，还是以整体刚性防渗防冻害措施为主。由于受气温、土质、当地材料量、渠道走向及大小的不同等多种因素影响，衬砌结构形式会不断变化，适应性较差。刚柔混合结构具有适应冻融变形、胀而不裂和防渗、减轻冻胀的特性，同时能有效解决渗漏利冻胀问题。因此，应用高分子材料研制技术可靠、结构简单、经济合理的刚柔混合结构或纯柔性结构作为渠道的衬砌结构是今后我国渠道防渗防冻胀衬砌的发展方向。

［1］冯有亭．宁夏灌区渠道衬砌工程防冻胀试验研究［D］．西安:西安理工大学，2003:3-6．

［2］王正中．梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型研究［J］．农业工程报，2004:24-29．

［3］ SLl8-2004，渠道防渗工程技术规范［S］．北京:中国水利水电出版社，2004:11-52.

［4］ SL23-91，渠系工程抗冻胀设计规范［S］．北京:中国水利水电出版社，2006:25-32.

［5］余书超，宋玲，欧阳辉，等．防治混凝土渠道冻胀破坏技术［M］．乌鲁木齐:新疆技术科学出版社，2004:601-603.

［6］葛树东．季节冻土区渠道防渗结构型式的研究［D］．南京:河海大学，2004:18-77.

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［8］张伯平，牟过斌，闫宁霞．渠道衬砌体冻胀破坏机理与防治对策［J］．水利与建筑工程学报，2003（1）:10-12.