新疆渠道衬砌工程抗冻胀的探讨

白光剑

(新疆奇台县水管总站开垦河渠首管理站，新疆 奇台 831800)



新疆渠道衬砌工程抗冻胀的探讨

白光剑

(新疆奇台县水管总站开垦河渠首管理站，新疆 奇台 831800)

在我国的高寒地区，冻胀因素不利于衬砌渠道，在渠道工程建设过程中，解决抗冻胀问题也是当前急需解决的一大难题。重点研究了在我国新疆高寒地区，如何解决抗冻胀问题过程中的基土置换垫层、隔热保温、透水衬砌、优化结构等几个方面，希望能对我国西部高寒地区的灌区加固改造工作有所帮助。

新疆；渠道衬砌工程；抗冻胀模式

新疆主要位于亚欧大陆的内部，长年干旱少雨，严重缺少水资源。农业生产需要大量的用水，长期存在着缺水与浪费水资源的情况，新疆地区要想实现国民经济的健康增长，则首先要解决农业水资源的利用效率问题。利用渠系水利用系数可以有效得出灌区水资源的利用效率。因为新疆地区非常寒冷，在每年的冬、春二个季节混凝土渠道会出现严重的冻胀破坏现象，因此渠系输水过程中存在着大量的渗漏现象。

1　渠道衬砌工程冻融破坏机理分析

1.1砼板冻融破坏机理分析

1.1.1砼板冻融破坏机理

机理主要指的是砼板在吸水饱和过程中发生冻融时，要面临二个方面的破坏应力：一砼中的毛细孔水在温度达到0度以下时出现物态变化，水凝结成冰，从而体积会不断增大，但毛细孔壁会制约其增大于是产生膨胀压力，会于孔四周的微观结构中出现拉应力；二表面张力也会发生不同程度的作用，砼毛细孔隙中的水冰点会由于孔径的缩小而不断下降。所以冰和过冷水因为饱和蒸汽压差和过冷水间的盐分浓度差导致水分流动出现渗透压。再有凝胶也会越来越大，产生较大的膨胀压力，一旦砼出现冻伤，上述二种压力则会使砼内部结构发生变化，只有冻融现象多次反复出现，导致损伤越来越大，于是产生相互间沟通的裂缝，砼板的强度达不到原来的要求，有的还会完全丧失[1]。在实际生产过程中可以发现，如果砼存在的环境较为干燥则不会出现冻融破坏现象，因此只有具备饱水状态时，砼板才会发现冻融现象，再就是由于外界气温不断出现正负变化，导致砼孔隙中的水多次出现冻融现象，由于存在上述二个条件，因此砼冻融破坏首先出现于砼的表面。如很多地区的渠道防渗砼板和现浇砼防渗渠道可以看到很多沙石露在外面、表层掉落、体积增大、结构不实等现象，都是由于上述原因造成的。

1.1.2砼板冻融破坏影响因素

有多种因素会造成砼的冻融现象。一建设砼板时所有的主要材料性质，如水泥的种类、水泥中的组成成分都会影响砼的耐久性；二施工工艺不同，沙石的配合比、砼的施工、硬化条件都会严重影响到砼板的耐久性，再就是砼中的单位用水量也会造成砼的冻融现象；三施工质量不同，砼的施工质量也非常重要，严重影响到砼板的抗冻性。

1.2砼渠道的冻胀破坏

通过对新疆地区渠道的观察分析，发现引起渠道冻胀破坏的主要类型有以下几个方面：

1.2.1冻胀隆起引起的破坏

是最为常见的一种冻害方式，在现浇的砼渠道，一般出现于边坡底部三分之一处，常常是一条或几条纵向裂缝与板面垂直并向外突起。在预制砼板衬砌的渠道，主要是在距边坡底部三分之一处出现裂缝，坡脚的第一块砼板与第二块砼板间的接缝裂开同时向外突起。出现这种情况的位置通常都是渠道容易积水的部位。造成冻胀突起的主要因素就是由于气温的改变，基土出现冻胀现象。

1.2.2渠道湿陷、沉降引起的破坏

因为渠道修建的路途较长，会遇到各种各样的地形，在一些填方渠道中，行水时因为湿陷，导致渠道会出现沉陷现象，于是渠道产生渗漏，在不用水后会存在大量的积水，这时也会发生冻胀现象。由于产生沉陷所以砼衬砌面会产生裂缝，渠道会出现严重的渗漏现象，出现冻胀情况[2]。

1.2.3冻融流土滑坡引起的破坏

冻融流土滑坡型破坏一般出现于每年的春季用水时。主要就是由于土体支撑砼板的力度减小，泥土会和砼板一起流入渠中，大量的泥土会堵塞渠道，水流不能正常通过，水位越来越高，会漫过渠堤，渠道因此产生决口。

2　渠道抗冻胀模式及其比较

2.1改变渠道结构形式

主要应该做好砼的强度工作，提高砼强度到C20以上；控制水灰比不高于0.55，再就是利用掺入引气型外加剂也可以有效抵抗寒冷。选择断面型式时使用刚度较大的断面，如“U”型渠槽、圆底三面型断面、圆底、圆脚梯形断面等型式。砼板应该先铺设塑料薄膜，将3 cm厚的水泥砂浆铺设于塑料薄膜与砼板之间。在现浇砼渠道，可以在渠底中部与渠坡底部三分之一处预留一条伸缩缝，可以解决冻胀突起变形现象。在设计砼板结构时，可以选择受力条件最好的六角形，淘汰传统意义上的方板，也可以有效应对渠道冻胀变形。

2.2切断冻土地基的水分补给

上面已经分析了引起土体冻胀的三个因素，只有这三个条件同时存在时才会出现冻胀情况。只要限制其中的任何一个条件，就可以解决冻胀现象。分析新疆地区的气候条件，其外部温度不易达到正温以上，所以只能利用各种保温手段使内部不出现负温。在过去较长时期内，大多利用切断冻土地基在冻结前后的水分补给的手段来应对冻胀，再有，如果能够改变渠基土体的基本结构也可以有效解决土体的冻胀情况[3]。

要想解决冻土地基在冻结前后的水分补给问题，一般都利用高填或排水的手段来切断水分的进入。但受土体颗粒与物理力学的影响，还会受到毛细水的作用。一般情况下，毛细水会达到地下水面2米以上，也会在渠道的冻胀破坏中发生较大作用。所以，如果应用细颗粒土体，则一定会存在水分的补给现象，出现毛细水的冻胀情况。

2.3改变基土的基本结构

要想改变基土的基本结构首先要考虑渠基土的换填，也就是利用大颗粒的土体置换原来细颗粒的土体。这种做法主要有下面优势：一如果渠道附近就能找到大量的换填材料，则成本较低；二因为彻底换填了渠基，如果能够保证施工质量，那么渠道就会受到长久的保护。但也有下面这些缺点：一因为换填需要较大的厚度，因此土方需要较多，如果换填材料在附近没有，那么就会出现较大的成本；二施工存在较多困难，在清除原来的渠基土方后，重新填上的砂土不能有效压实，不易于害到施工规范要求；三不容易控制换填料的质量，回填要求用含土量不高于5%的材料。在自然环境中一般情况下不易于找到。如果使用人工加工料，那么就会出现较大成本[4]。这种做法通常应用于冻土不深的地区，如果在冻土深度较大的地区使用，那么工程量就是一个较大困难。所以在实际操作时，常常会综合应用几种工程措施。如在渠道二侧设置排水沟减少水分补给时，同时换填一定深度的基土。应用一些保温措施，如使用砂或塑料，防止发生冻胀破坏现象。

2.4利用新型建筑材料

最近几年，出现了一些新型建筑材料，在渠道的防冻胀过程中较多应用苯板。苯板的主要优势就是能够有效保温，可以使渠基土处于负温以上，这种保温原理等同于砂或塑料的保温原理。分析当前关于苯板的抗冻试验可以发现，10 cm厚的苯板达到保温效果相当于100 cm的砂。比10 cm厚的砂加塑料的保温效果要强很多[5]。它有着下面这些优点：一可以有效抗冻，10 cm的苯板就能够达到100 cm厚的砂的保温效果；二易于施工，渠道开挖不需较大的断面。不拢动基土，可以在基土上直接铺设苯板，在苯板上直接衬砌材料；三如果条件适宜那么较需较少成本，不使用大型机械，只需少量劳动力。利用苯板可以不置换基土，因此不使用大型土石方机械。遇到基土换填材料较远时，则可看到其具有更低的造价。但应用苯板防冻胀材料的也存在一些缺点：如果条件不适宜，那么对比于换填手段则会出现较高的造价。如果基土换填材料较近那么应用这种做法则会导致造价过高[6]。

3　新疆渠道抗冻胀模式运用实例

渠西干渠设置为梯形断面，渠的深度达到了3.3 m，底部宽2.15 m，边坡比为1：1.5，可以容纳水深为2.59 m。两侧渠堤宽度为2.5 m，渠道外边坡比也为1：1.5。渠道衬砌采用70 mm 厚的C20预制砼板，砼板下部为60 mm 厚的苯板，采用粉细沙作为防冻胀渠基土，颗粒不大，有着较好的保水性，经苯板防冻胀处理后，在使用8 a过程中，没有出现冻胀破坏现象[7]。

第一分水枢纽北岸干渠根据不同渠段的实际情况，在防冻胀措施上分别采用了不同的做法。上段8 km置换了基土，下段根据实际情况，有的地段采取了铺设10 cm厚苯板的做法，有的地段在边坡上铺设了苯板。在建设上段完成后，有的渠段出现了断板和冻胀现象。对其进行分析可以发现，出现断板的主要原因是换填的基土没有压实，施工单位没有严格依据用料标准进行施工；出现冻胀的主要因素是换填基土级别较低，其中含有的细颗粒砂石较多。所以在解决渠道防冻胀过程中如果应用换填的做法，则首先要保证换填土的质量和施工工艺。在实际施工过程中，要不断提高施工质量，但由于施工条件有限，要想达到这些目标则存在较多困难。北岸干渠下段在解决防冻胀时主要应用了苯板，易于施工，取得了较好的效果，但这种做法与换填基土的做法相对比，成本较高[8]。北干渠在解决防冻胀问题时应用了二种做法，一在砼板下铺设60 mm厚的苯板，二置换40 cm厚以上的砂砾垫层。这二种做法保证了渠道断面一致，两两对比发现，应用苯板做法投入资金2 611.67×104元，应用换填基土做法投入资金3 110.41×104元。可以看到应用第一种做法可以节约成本、易于施工，所以北干渠在解决防冻胀问题时全部采用铺设苯板的做法。

[1]郑鑫,葛建锐,刘少东,等.渠道衬砌冻胀破坏研究现状与展望[J].黑龙江八一农垦大学学报.2014(06).

[2]芦琴,王正中,刘计良,等.弧脚梯形衬砌渠道抗冻胀及水力合理断面的分析[J].西北农林科技大学学报(自然科学版).2010(01).

[3]李沛炜,姚亮,孙凤梅.南水北调中线工程渠道衬砌体冻胀机理与防治措施[J].河南水利与南水北调.2009(11).

[4]王利军.混凝土渠道抗冻胀设计及防冻害措施在西北冻土地区节水工程中的应用[J].水利规划与设计.2009(06).

[5]吾斯曼·萨迪尔.灌区小型U形渠冻胀破坏研究与优化[J].黑龙江水利科技.2015(01).

[6]刘俊轩.防止渠道冻胀的处理方式[J].水利科技与经济.2009(02).

[7]李国英,冯向楠.克孜加干渠防冻胀方案的选择[J].甘肃农业.2012(07).

[8]逄焕春.浅议渠道冻胀处理方式的选择[J].科技信息.2009(25).

2016-03-14

白光剑(1962-)，男，甘肃金塔人，工程师，主要从事水利方面的研究。

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