灌区防渗衬砌冻胀破坏成因与防治对策研究

范 超

（山西省水利水电工程建设监理有限公司，山西太原 030002）



灌区防渗衬砌冻胀破坏成因与防治对策研究

范 超

（山西省水利水电工程建设监理有限公司，山西太原 030002）

【摘 要】本文针对我国北方地区灌区防渗衬砌遭受冻胀破坏的问题，分析了防渗衬砌发生冻胀时的主要破坏形式，揭示了渠床基土冻胀是造成灌区防渗衬砌冻胀破坏的核心要素，在基土冻胀回避与置换、保温垫层布设以及地下水排除等方面探索了灌区防渗衬砌的综合防治对策。该研究可为灌区防渗衬砌冻胀破坏的综合防治提供决策依据。

【关键词】灌区防渗衬砌；冻胀破坏；成因；防治对策

我国北方部分灌区因地处干旱寒冷的季节性冻土区，输水渠系防渗衬砌易在冻胀作用下发生结构破坏。此外，在区域地下水位较高的灌区，防渗衬砌季节性冻胀破坏显著，防渗衬砌功能损坏在降低渠道输水效率的同时，为灌区的管理运营带来沉重的工程维修负担，严重制约了灌区输水渠系工程效益的发挥［1］。因此，有必要分析灌区防渗衬砌冻胀破坏的形式，揭示其发生冻胀破坏的成因机理，进而探索灌区衬砌冻胀破坏的防治对策，以期为灌区防渗衬砌修复与维护管理提供有益参考。

1　灌区防渗衬砌冻胀破坏特征分析

1.1防渗衬砌冻胀破坏形式

灌区渠系防渗衬砌冻胀破坏主要包括位移、裂缝、架空隆起、断裂、整体上抬以及滑塌六种形式。

a.位移破坏。防渗衬砌由渠道上沿往渠系内侧出现位移滑动，位移距离一般为2～5cm，灌区两拼与三拼的U形输水渠道防渗衬砌易发生此类位移破坏。此外，由冻胀引起的渠床基土膨胀，易引发衬砌弧形板往渠系内侧位移倾斜，进而导致混凝土衬板结构破坏。

b.裂缝破坏。防渗衬砌裂缝可分为横向与纵向裂缝两种。其中，细石混凝土或混凝土衬板间的填缝与勾缝常出现裂缝破坏，此时混凝土衬板间仍具备一定黏结强度［2］。此外，在冻胀力与冻结力共同作用下，混凝土防渗衬板常因自身拉应力而产生裂缝，从而影响衬砌防渗效果。

c.架空隆起破坏。输水渠系混凝土防渗衬板在遭受冻胀基土抬升时，将出现明显垂向隆起并发生结构破坏［3］。同时，在区域地下水位过高的输水渠段，渠底基土含水量与冻胀量较大，从而对渠系防渗衬砌造成顶托架空破坏。

d.断裂破坏。部分混凝土防渗衬砌在遭受剧烈冻胀作用时，将沿渠系横向、纵向或斜向发生断裂破坏。

e.整体上抬破坏。部分输水渠系渠深与渠道断面较小，防渗衬砌与渠床基土冻胀受力整体性较强，易引发防渗衬砌的整体上抬破坏。同时，由于渠周基土的不均匀沉陷，发生整体上抬破坏的防渗衬砌无法在冻土融化时恢复原位，从而加剧了灌区防渗衬砌的冻胀破坏。

f.滑塌破坏。在输水渠道渠坡部位，防渗衬砌常在衬板隆起后脱离支撑体而发生滑塌破坏。冻胀作用造成防渗衬砌架空隆起，破坏垫层稳定性，进而引发上部衬砌板块滑塌叠压［4］。此外，在渠坡冻土融化时，易诱发渠坡滑塌，从而造成防渗衬板的滑塌破坏。

1.2防渗衬砌冻胀破坏影响要素

造成灌区防渗衬砌冻胀破坏的要素主要包括渠床基土土质、渠底地下水位、渠系走向布置以及防渗衬砌结构与材料特性。

a.渠床基土土质。据统计，当渠床基土土质属饱和粗颗粒土，且粒径大于0.1mm时渠床基土基本不发生冻胀作用。当渠床基土粒径小于0.05mm时，土体中水分迁移量较大，土体冻胀性较强，易在土壤中形成冰透镜体而构成冻土层，此时的渠床基土属强冻胀类土体［5］。此外，在渠床基土中粒径0.002～0.05mm颗粒土质含量大于50%时，基土易发生冻胀作用，即土体整体粒径越小，基土冻胀性越强。

b.渠底地下水位。过高的渠底地下水位易诱发渠系基土冻胀破坏，当地下水位埋深小于基土冻深与土壤毛细水上升高度之和时，渠床基土易发生冻胀作用。针对均质基土渠床，当冻土期内地下水位低于渠底时，基土冻胀程度由上而下逐步降低；当冬季渠道输水或地下水位高于渠底时，渠床基土冻胀程度整体较低，最大基土冻胀区位于行水面之上区域。此外，季节性灌溉引发的周期性地下水位抬升，易诱发渠床基土发生冻胀，从而破坏渠系防渗衬砌。

c.渠系走向布置。灌区输水渠系走向布置不同，渠坡接受日照强度与时间也不尽相同，从而决定了渠系断面各部位冻胀程度的大小。据统计，东西走向布置的渠系，渠坡冻胀深度差异性较大，渠系阴坡中上部冻胀程度较高，阳坡中下部冻胀程度较低。南北走向布置的渠系，渠坡冻胀程度由渠顶至渠底逐步发展，即渠顶冻胀程度大，渠底冻胀程度小［6］。总之，渠系走向影响渠坡与防渗衬砌的冻胀破坏程度。

d.防渗衬砌结构与材料特性。不同防渗衬砌材料与布置结构适应冻胀破坏水平不同。目前，渠系防渗普遍采用抛物线形、U形、梯形等衬砌结构，并采取混凝土、土工布、浆砌石、塑料膜等衬砌材质，优选合适的防渗衬砌结构与材料可增强衬砌的抗冻胀耐久性。

2　防渗衬砌冻胀破坏防治对策

2.1回避基土冻胀

灌区渠系的选线应尽量回避粉质土、黏土等强冻胀性土质区域，宜将渠道布设在不易冻胀且透水性较好的沙砾石土质地段。同时，渠系的选线应避开地下水位较高地段，将渠床基土冻结层限制在地下水毛细上升高度之上。此外，可将渠系布置在地势较高地带，同时可在田间与渠系间布置排水沟，以防止渠系渗漏对渠床基土与地下水的补给。针对部分地势起伏过大地带，可将输水渠系深埋至基土冻胀层之下，并采取暗管或暗渠形式输水，以回避基土冻胀。

2.2置换渠床基土

针对渠床基土冻胀性强且沙砾石丰富的区域，可将强冻胀性基土置换为沙砾石等弱冻胀性材料，从而降低渠床基土含水量，弱化基土冻胀造成的防渗衬砌破坏作用。在渠床基土土层较薄且地下水位较低的区域，可采取全部开挖清除置换的方式，重置渠床沙砾石垫层。在垫层存在隔水层且地下水位较高的区域，应设置排水并保证置换层厚度超过原始基土冻胀深度［7］。此外，应合理确定置换垫层颗粒级配并保障置换材料的纯净度，同时设置反滤层以防止细沙流失。

2.3设置衬砌保温垫层

可在渠系防渗衬砌下设保温垫层，以削弱或阻止外界与渠床基土的热量交换，维持基土温度，从而在降低基土冻胀深度的同时，防止衬砌发生冻胀破坏。可采用具备耐腐蚀、不透水的聚苯乙烯保温隔热材料布置于渠床基土上，形成保温垫层，之后在保温垫层上实施防渗衬砌施工，以增强衬砌抵御冻胀破坏的能力。

2.4实施渠道基础排水

控制渠床基土含水量、排除渠道基础渗水，是防止渠道基础发生冻胀破坏的有效措施，可通过控制水分入渗补给、增强渠道基础透水性来及时排除土体水分。可在输水渠系两侧布设排水沟槽，并保证排水沟底低于渠底面50cm以上，以确保渠床基土排水顺畅。同时，可在渠系沙砾石基础垫层中布置排水管孔，排出渠旁田间渗水。此外，可在灌区地势低洼区域开挖机井抽取地下水实施灌溉，实施排灌结合，在减少灌区引入外来水资源量的同时，有效降低区域地下水位，减少地下水对渠道基础土体的补给量，从而通过控制渠道基础土体含水量，降低防渗衬砌遭受冻胀破坏的威胁。

2.5优化防渗衬砌结构与材料

可通过优化防渗衬砌结构、采用抗冻材料来提升衬砌对冻胀变形的适应性。应在保障渠系输水排沙能力的基础上，选择合理的防渗衬砌支撑结构断面型式，通过调整冻胀作用方向来降低冻胀破坏程度。传统采用的矩形断面与平底梯形断面渠道，易发生渠坡倾斜、渠底衬砌隆起以及衬砌弯折等破坏现象。同时，浆砌石衬砌在冻胀作用下易与基土分离，并发生滑塌破坏，而混凝土衬砌因抗拉强度较低，易在冻胀作用下产生开裂。因此，可选取抗冻胀性能更好的弧形混凝土衬砌断面，在发挥圆弧拱受力优势的同时，充分利用混凝土抗压能力强的特征［8］。此外，可在防渗衬砌中采取加肋结构，采用柔性止水材料并设置合理的分缝止水，从而综合提升防渗衬砌的抗冻胀变形能力。

3　结 语

本文在分析灌区防渗衬砌位移、裂缝、架空隆起、断裂、整体上抬以及滑塌等冻胀破坏形式的基础上，揭示了渠床基土土质、渠底地下水位、渠系走向以及衬砌结构与材料是决定防渗衬砌抗冻胀耐久性的主要影响要素。同时，探索了实施基土冻胀回避、渠床基土置换、保温垫层设置、渠道基础排水以及防渗衬砌结构与材料优化等措施应遵循的原则。然而，灌区防渗衬砌冻胀破坏是多要素耦合作用的结果，应在合理采用上述工程措施的同时，完善灌区灌排制度，控制灌区地下水位，以综合防治防渗衬砌冻胀破坏的发生。■

参考文献

［1］ 王圣海，张通，王乔.基于有限元的混凝土衬砌渠道冻胀性能研究［J］.水利建设与管理，2014（12）:33-36.

［2］ 肖旻，李寿宁，贺兴宏.梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏力学分析［J］.灌溉排水学报，2011（1）:89-93.

［3］ 张灵瑛.浅谈混凝土衬砌渠道内积水表层冻融破坏及防治措施［J］.水利建设与管理，2010（2）:58-60.

［4］ 张国军，陆立国.影响衬砌渠道冻胀破坏严重的关键因素［J］.中国农村水利水电，2012（9）:105-108.

［5］ 周红.大型输配水工程水源保护措施的研究与应用［J］.水资源开发与管理，2015（2）:38-40.

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［7］ 田小路.渠道衬砌混凝土防裂施工技术［J］.水利建设与管理，2012（1）:22-25.

［8］ 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（1）:231-234.

DO l:1O.16616/j.cnki.11-4446/TV.2O16.O2.O19

Research on causes and Prevention countermeasures of seePage control lining frost heave damage in irrigation area

FAN Chao
（ShanxiWater Resources&HydroPower Construction SuPervision Co.，Ltd.，Taiyuan 030002，China）

Abstract：Main damage forms of frostheave on seepage contro11ining are ana1yzed aiming at frostheave damage prob1em on seepage contro11ining in irrigation area at North China.It is revea1ed that channe1 bed base soi1 frost heave is the core factor to cause seepage contro11ining frost heave damage in irrigation area.Comprehensive prevention countermeasures of seepage contro11ining in the irrigation area are exp1ored in the aspects of base soi1 frost heave avoidance and rep1acement，heat insu1ation cushion 1ayout，underground water drainage and other aspects.The research can provide decision-making basis for comprehensive1y contro11ing seepage contro11ining frost heave damage in irrigation area.

Key words：irrigation area seepage contro11ining；frost heave damage；cause；prevention countermeasures

中图分类号：TV672＋.9

文献标志码：A

文章编号：1005-4774（2016）02-0072-03