渠道砼板砌护冻胀分析与“U”型断面砌护技术

马金萍+孙升

摘 要：该文就渠道砌护现状及各类砌护类型冻胀状况展开分析，进行渠道冻胀特点及具体形式的深入性阐述，实现了不同种防冻胀措施的制定，进行了不同渠道衬砌方案抗冻胀性的综合性分析。

关键词：渠道冻胀；“U“型断面；砌护技术；水利建设

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.22.087

1 工程状况

某市沙坡头区引黄灌区属于大陆性气候，其蒸发状况比较强烈，属于温带大陆性气候，灌区平均降雨量在178. 5毫米以下，主要集中于7月份至9月份，蒸发量大约为1900毫米。该市沙坡头区引黄灌区分为南北两个灌区，其中有一条干渠、七条支渠，全长大约为168公立，引水流量为每秒60立方米，控制灌溉面积约为2.7万公顷，年引水总量越为7.1亿立方米。南北灌区共有排水干沟九条，全长大约为171公里，排水流量为每秒32立方米，年排水总量为1.7亿立方米，其水利设施比较完善，形成了比较健全的灌排体系。

2 冻胀破坏的形式和特点

该市沙坡头区引黄灌区大约有支斗渠1161公里，采用塑料薄膜、混凝土板、砌石防渗砌护长约69公里，衬砌破坏长度约为80公里，斗渠衬砌破坏比支渠严重。在渠道衬砌破坏中，水力破坏占到15%，施工质量问题占到25%左右，大部分的衬砌破坏状况均由冻胀破坏造成。

2.1 渠道冻胀破坏类型

渠道冻胀破坏主要分为以下几个类型，根据破坏程度分类主要有冻胀开裂复原型，衬砌面开裂后其表面尚平，裂缝两边衬砌体不错位，缝宽在1厘米以下，冻土消融后部分闭合。冻胀隆起滑塌型主要是渠道坡角处衬砌体受到破坏。冻胀破坏是一个由轻到重的过程，首先是冻胀开裂，导致渠道变位隆起至滑塌，滑塌状况主要出现在春季消融阶段，渠坡最下面三块预制板处的渠底是支渠冻胀破坏最为严重的部位。坡角及上下两板接缝处是斗渠冻胀破坏严重的部位。衬砌体结构冻胀破坏型主要是衬砌板体本身受到冻融破坏的影响，板体表面水泥脱落，缺乏足够的硅强度。

在冻胀破坏程度较轻时，需要及时开展维修，如果冻胀隆起的部位不能恢复到原状，冬季来临时，其原先已冻胀隆起的基土会出现冻胀变形状况，冻胀隆起的土体内存在大量的冰夹层。渠道变形时的衬砌体容易受到行水时的破坏，不利于提升渠道的整体质量。

2.2 冻胀破坏特点

粉质壤土是该渠道的基土，部分渠段为粘土及粉沙土，属于强冻胀类基土，阴坡一般比阳坡冻害严重，渠坡下部一般比渠坡上部重，渠道冻胀存在不均匀性的特点。基土冻胀问题导致渠道衬砌冻胀破坏问题。在冻胀过程中，渠底断面线不断抬高，坡脚及坡顶逐渐减小，导致渠道基土断面出现变形状况，由于衬砌质量较差，结构内部出现较大的冻胀状况，导致渠道结构的破坏。

受到冻胀因素的影响，基土水分出现迁移状况，这与基土含水量、基土冻结强度等密切相关。土壤毛管力水平、基土颗粒状况决定基土水分在冻结过程中的迁移大小。基土含水水平、基土特性、周边环境气温等都是导致渠道冻胀破坏的重要原因。

受到不均匀冻胀变形的影响，渠道基土出现断面，这受到不同基土层含水量、地温状况等的影响。基土土颗粒本身并不存在冻胀状况，冻胀是土壤中液态水的固态化状况，这与温度因素密切相关。相比于渠底排水环境，渠坡的排水性更好，其土壤原含水量较小，渠坡距离地下水位较远，在土壤冻结过程中，地下水迁移补给量较小，迁移水没有达到渠坡某层部位时被冻结。如果渠道的排水条件较差，其土壤中原含水量较大，也会导致挖方渠底土壤水分的饱满，土壤在冻结过程中也受到地下水迁移补给的影响。渠道基土的冻胀量从渠底到坡顶不断减小，冻胀量与渠道朝向密切相关。

由于该市灌区冬灌停水较晚，渠道基土内的含水量基本达到饱和。在渠道停水前后，其平均氣温大约在0℃左右，土体内的水份并没有充分的下渗迁移，基土表面已经开始冻结。初冻时土壤内的含水量称之为起始冻结含水量，土体的冻胀状况受到土壤冻结含水量的直接影响。等到开春气温回升，土壤冻层开始熔化，冻层的中部融化比较缓慢，在解冻初期，容易出现滞水状况，从而导致基土表面的返潮流，有的地面会出现泛水现象。在这个过程中，基土的表面非常滑，受到重力作用的影响，因冻胀隆起的衬砌体在渠道坡面上出现下滑状况，从而导致流土破坏及滑坡问题的出现。

3 渠道衬砌防冻胀策略

为了提升渠道衬砌工程的整体工作效益，必须进行防冻胀方案的优化，这需要遵循因地制宜的原则，实现工程管理方案的优化。

3.1 回避法

在渠道衬砌规划设计过程中，为了提升渠道衬砌工作效益，需要避免出现较大冻胀量的土壤水分地区，这需要进行回避法的应用，回避法比较适合于新设计的渠道。在新建渠道过程中，在环境条件的允许下，可以进行回避法的使用，进行多条渠道线路的设计，进行不同线路的综合性的比较及分析。

3.2 渠床处理法

当渠道衬砌结构允许冻胀变位小于渠道最大冻胀量时，需要根据渠道不同部位冻胀状况及冻层中层次冻胀分布状况，进行合适的渠床处理方法的选择，将渠床基土的最大冻胀量削减到合适的冻胀变形位值范围内。这需要进行渠床处理方法的优化，实现垫层法、基土处理法的协调。当渠床基土为强冻胀土时，可以进行弱冻胀土的换填，也可以在原渠床基土中混入麦草。渠道旁种树方法是一种良好的工程辅助方法，可以起到生物排水的作用。在渠拜顶上植树，树根可在硅板下部形成根须层，提升了基土的密实性及抗剪强度，有利于提升渠基的牢固性及稳定性。在这个过程中，要保持树木与渠道衬砌体的合适距离，一般间隔50厘米左右。通过对隔水法的应用，可以隔断地下水对冻层的补给，可以减少渠床的冻胀变位状况。

3.3 适应法

通过对较强的冻胀性适应性的材料及衬砌结构的使用，可以有效提升渠道结构的抗冻胀性，比较常见的断面类型包括弧形断面、宽浅式“U"型等，这两类断面的冻胀变形比较均匀。渠道砌护过程中，比较常见的抗冻性较强的材料包括塑膜等。endprint

3.4 运行管理及施工管理

在渠道砌护工作中，冬灌越迟，衬砌冻胀破坏状况越严重。因此需要进行冬灌时间的提前，避免回归水补给渠床，做好渠顶防护工作，将灌耕地集中于支斗渠上，避免坡面水渗入到衬砌面下。为了满足实际工作要求，相关渠道衬砌部门需要提升施工管理及监督力度。硅是该市沙坡头区的主要衬砌渠道材料，在硅制作过程中，需要优化骨料及水泥配合比方案，满足工程施工的要求，进行养护期的控制，选择干硬性的硅材料。

4 不同渠道衬砌方案的抗冻胀性分析

在硅板弧形断面处理过程中，渠道断面进行了弧形断面的应用，泡沫塑料是硅下的隔热保温层。整体来看，渠道地温较高，冻胀不均匀系数、冻胀量比较小，冻深比较小，抗冻性能比较好。在硅体“U"形断面处理过程中，在相同地温、冻深等条件下，其冻胀变形比较小，冻胀不均匀系数及剩余冻胀变形值比较小，整体呈现出较好的受力状况。但其直立面与弧形断面的交界处产生了纵向裂缝，为了解决实际问题，需要将直立面变为斜坡，呈现宽浅式弧形的断面状况，相比于原“U"型断面砌护模式，其抗冻性及稳定性更好。

在“U”型硅板衬砌工作中，渠床进行了草土换填模式的应用，在渠坡斜立两块平面板，在渠底横断面铺设三块平底曲面板。为了提升渠道衬砌工作的防渗性及抗冻性，必须进行适当方案的选择，这需要结合具体工程地质环境状况，进行就地取材、因地制宜原則的应用，在该市沙坡头区渠道砌护工作中，可以利用该地麦草丰富、风积沙等环境特点，进行渠床的处理，进行“U"型宽浅式断面砌护模式的优化，增强渠道砌护工程的整体效益。

在渠道设计工作中，需要尽可能的避开强冻区，尽可能避免使用抵抗性措施，比如增加钢筋及板厚，需要充分遵循经济合理性原则，进行综合性设计理念的应用，做好渠道基土的处理工作，遵循就地处理的工作原则，进行整体性较强的断面结构模式的应用，适应工程抗冻胀性的要求，实现不同施工步骤的协调。

5 关于衬砌几个注意的问题

在衬砌过程中，需要注重衬砌渠道的顺序，干渠的行水时间最长，其次是支渠、斗渠、农渠。整体来看，渠道的衬砌工程运行时间越长，其取得的效益越大。在一定施工条件下，需要对高一级的渠道进行衬砌，然后进行低一级渠道的衬砌。

在一定基土冻胀环境下，衬砌板尺寸与冻胀变形状况存在密切的联系。板与板之间容易出现冻胀裂缝状况，在预制硅板衬砌过程中，需要利用沥清硅做好接缝处的处理工作，进行衬砌板厚度的控制，实践证明，盲目的增大板厚并不能有效解决冻胀问题，需要根据实际渠道状况，进行衬砌板厚度及尺寸的选择。

6 结语

实践证明，通过对“U"型断面衬砌技术的应用，有利于提升支斗渠砌护的抗冻胀性，满足了现阶段渠道砼板砌护工作的要求。

参考文献：

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