寒区渠道冻害破坏特征与成因

马金龙，李兆宇，田 文，张万瑞，李佳民，苏安双，常俊德

(1.黑龙江省引嫩工程建设管理局，黑龙江 大庆 163316；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

黑龙江省地处我国高纬度寒区，是我国重要商品粮生产基地，辖区内的输水渠道往往存在高含水边坡、外来水补给量大使得渠基土体产生较大的冻胀变形现象，造成渠道衬砌结构发生冻害破坏问题，严重影响了渠道输配水能力，这直接关系到粮食及其他作物的产能，并且由于渠道衬砌每年都会发生不同程度的冻害破坏，需要投入大量的资金进行工程维修与管护，经济损失巨大。

寒区渠道受气候条件和工程地质条件的影响较大，由于夏季持续降雨，加上渠道周边有外水的持续补给，使得土体处于饱和甚至过饱和状态。当输水期结束时，进入冬季由于气温骤降，土体中水分没有及时排出就开始冻结，使得渠道边坡土体具有较强的冻胀性，衬砌结构冻胀变形较大。当春季气温回升时，渠道边坡土体开始融化，在融化期间受气温的影响，土体经历着冻融交替变化，正是由于冻融作用的存在，使边坡土体产生不可恢复的变形和强度弱化，导致渠道工程沿线的衬砌结构局部会产生严重的变形破坏，尤其在高地下水位的渠段，由于水分的充分补给，冻融作用甚至会引起边坡土体与衬砌结构发生整体滑塌，这对渠道在整个输水期间的运行产生重大影响。

地基土的冻胀破坏一直是寒区工程冻害的主要问题之一，并且也是工程冻土学中研究的一个重要课题[1]。半个多世纪以来，国内外就土的冻胀问题进行了大量的研究，主要采用了现场观测、室内试验及数值模拟等手段，研究重点放在冻胀机理与冻胀预报模型的建立上[2-3]。我国学者对影响冻胀的内因(土的基本性质)与外因(温度、压力、地下水)进行了较系统的研究[4-5]，通过室内试验与现场观测主要研究了土的物理化学性质对冻胀的影响，冻胀与地下水埋深的关系[6]，冻胀量、冻胀率随冻结深度的变化规律[7-8]，不同冰冻条件下冻胀率与冻结速率的关系[8-9]，冻胀力与冻胀量的关系等[10]。国内外关于寒区渠道边坡土体在冻结条件下的物理力学特性、冻胀破坏机理及防治措施的研究比较多，但对于不同地区渠道工程所处的气候条件与工程边界条件不尽相同，表现出不同的冻害破坏特征，渠道衬砌结构的破坏成因也具有差异性。因此，本文以黑龙江省典型输水渠道工程为例，深入研究了寒区渠道发生冻害破坏的特征与成因，为分析寒区渠道发生冻害破坏机理，采用合理的渠道边坡衬砌结构及加固、改良渠基土体等措施提供重要的理论支撑，使渠道在输水期不致因边坡发生冻融破坏而影响其正常运行，更好的发挥工程的经济效益与社会效益。

1 寒区渠道冻害破坏特征

我国东北部纬度相对较高，该区域的渠道工程地处季节性冻土区，渠道工程又属线性工程，沿线渠道受到冻融作用影响较大，工程区域内冻胀性土分布广泛，并且渠道工程冬季没有过水的要求，未发生因渠道水结冰造成的破坏，所有渠道衬砌的破坏主要是由于渠基土体的冻胀作用产生的。渠道土体冻胀不仅仅是土体中原位水的冻结，而是由于冬季渠内水无法完全排空，导致冻结期地下水位较高，使得冻深范围内土体的毛细水、弱结合水源源不断地向冻结封面迁移，冻胀作用强烈，产生的冻胀变形明显，破坏比较严重。

通过对研究区域渠道工程的现场调研，发现寒区渠道衬砌结构因冻融作用产生的冻害破坏现象比较明显，对预制混凝土板衬砌结构总结了3种冻害破坏特征：

(1)鼓胀与隆起。

(2)支起与架空。

(3)坡面塌陷。如图1～3所示。

图1 渠道衬砌的鼓胀与隆起

图2 渠道衬砌的支起与架空

图3 渠道衬砌的坡面塌陷

从图1～图3可以看出，渠道边坡鼓胀明显区域发生在距离渠底固脚1/3坡长到通水水位处，并且在此区域内呈现出鼓胀变形先增大后减小的趋势，临近渠底固脚坡面及水位以上坡面变形不明显。当鼓胀继续发展，往往会引起临近固脚的坡面产生支起破坏，内部出现悬空。渠道基土受冻融作用产生了沉陷，导致其上的衬砌结构随之塌陷，并且在塌陷过程中互相挤压、抬起，造成固脚被顶压，向渠底方向滑移。

基于上述对寒区渠道边坡发生冻害破坏特征的总结，初步分析渠道边坡的地下水位过高、渠基土体冻前含水率过大、土质的冻胀性较强及外部条件等多种因素叠加是造成其发生冻害破坏的原因。

2 寒区渠道冻害破坏成因分析

通过对发生典型破坏的寒区渠道工程进行现场取样、观测及室内试验，进一步分析渠道发生冻害破坏的主要成因。

2.1 现场取样与观测分析

2.1.1 现场取样分析

沿渠道断面布设了5个取样点，分别设置在渠外区(1#取样点)、渠顶区(2#取样点)、1/2坡长区(3#取样点)、鼓胀区(4#取样点)、靠近渠底区(5#取样点)，通过对渠道不同部位进行钻孔，测得了地下水埋深情况与冻深情况，如图4所示。

图4 渠道实测的冻深线与地下水位线

从图4中可以看出，渠道冻深较大，最大冻深接近3.00 m。渠道地下水位埋深较浅，渠外水位高于渠内水位，这对渠道边坡土体形成持续的补给，为渠道边坡土体发生较强冻胀提供条件。

对渠道边坡鼓胀明显区域发生在距离渠底固脚1/3坡长的位置进行现场钻孔取样，如图5(a)、(b)所示。

图5 现场取样情况

从图5(a)中发现渠道衬砌较为明显的鼓胀部位下方土体冻结前含水率较大，导致其冻结后土体含冰量较大，存在明显的冰夹层，同时根据现场实测冻深在1.6～1.8 m区间，相对较大，而在通水水位区域取得的土样，从图5(b)中可以看出，土体冰晶含量明显减少，含水率较低，这充分说明冻结前含水率对土体冻胀性影响较大，渠基土体冻结时产生较大的冻胀变形是导致渠道衬砌结构破坏的主要原因。

2.1.2 现场温度观测分析

对2017年11月—2018年6月渠道的温度场进行了现场观测，将渠道发生冻胀隆起部位不同埋深的温度变化观测数据进行整理，如图6所示。

图6 渠道边坡不同埋深温度变化情况

从图6可以看出，冻结期内渠道边坡土体温度梯度分布比较明显，随着埋深的增加温度梯度减小，同时温度变化也趋于平稳。表层土体温度受气温影响明显，温度波动较大，最低温度达-20 ℃以下，埋深在1.5 m以上时，土体温度在0～-3 ℃之间。到了融化期，土体温度开始上升，最后基本上完全融化。从渠道经历一个冻融期的温度变化来看，渠内土体是以一定的速率冻结，温度逐渐下降，在最冷时节(12月下旬—1月下旬)的温度是比较低的，在温度梯度作用下土体中水分向冻结锋面迁移，冻结速率越慢越有利于水分的迁移，并且温度越低，土体中含冰量越大，促使土体中冰夹层的形成，导致土体冻胀变形较大。

2.2 室内试验分析

2.2.1 土样基本物理指标

对现场两个典型渠段内边坡鼓胀明显区域钻取的原状土样进行室内土工试验，测试其基本物理指标，结果如表1所示。

表1 土样的基本物理指标测试结果

从表1可以看出，渠道土体细粒含量占80%以上，液限低于50%，按照《土工试验规程》(SL 237—1999)对土的定名为低液限黏土。根据以往的研究，对不同种土的冻胀性排序为：粉土>黏土>细砂>中砂>粗砂>砾石土，以往研究表明，粒径在0.005～0.050 mm的土冻胀性最大，而现场取回的土中粉粒含量均在70%以上，视为引发较大冻胀变形的内因所在。

2.2.2 土体冻胀与融沉特性

对现场两个典型渠段内边坡鼓胀较为明显区域钻取的原状土样进行室内开放体系条件下冻胀量试验与融沉试验，其中渠段1土体含水率为35.26%，渠段2土体含水率为32.39%，试验方法按照《土工试验规程》(SL 237—1999)进行，试验结果如图7所示。

图7 土体冻胀、融沉试验结果

从图7可以看出，两个典型渠段的土体冻胀量大，融沉量相对较小，冻融过后会产生残余变形。渠段1与渠段2边坡土体冻胀率分别为26.4%和36.9%，冻胀性极强。试验结果表明，土体在开放体系下进行冻结时冻胀量很大，表现为特强冻胀性土，试验结果与现场取样时土样的性状具有一致性。土体冻前含水率大，并且冻结时地下水对冻结锋面充分补给形成冰夹层，产生较大冻胀变形，这是导致渠道衬砌产生鼓胀、隆起破坏的原因。

2.2.3 冻融循环对土体抗剪强度指标的影响

在现场选择其中一个比较典型的衬砌塌陷的渠段边坡，对现场取回的土样进行重塑，制样的土体含水率为32.39%、干密度为1.33 g/cm3，通过室内不固结不排水三轴试验，得到了渠道土体经历0～15次冻融循环作用下的抗剪强度指标随冻融循环次数的变化规律。如图8所示。

图8 土体抗剪强度指标随冻融循环次数的变化

从图8可以看出，在不固结不排水试验条件下，随着冻融循环次数的增加，土体的黏聚力显著降低，内摩擦角变化趋势不明显，当冻融循环达到15次后的黏聚力相对稳定。试验结果表明，冻融循环作用改变了土体结构，使其抗剪强度产生了弱化，对于防渗失效的渠段，在渗流作用下使得强度较弱的渠基土体沿衬砌结构底面产生的接触性冲刷颗粒被带走，由于渠道边坡基土逐渐流失而产生沉陷，导致了渠道边坡衬砌结构的塌陷。

3 结 论

(1)通过对工程现场调研，发现寒区渠道采用预制混凝土板衬砌结构的冻害破坏现象比较明显，总结了鼓胀与隆起、支起与架空、坡面塌陷的三种冻害破坏特征。

(2)寒区渠道衬砌结构发生冻害破坏程度与渠基土体的土质、地下水的补给及土体温度有直接关系。土体中粉粒含量高，是引发较大冻胀变形的内因所在。渠道边坡土体冻结前含水率较大，并且在水力梯度作用下，渠外水对冻结过程中的渠内土体形成持续补给，为渠道边坡土体发生较强冻胀提供了有利条件。土体温度越低，土中含冰量越大，促使土中冰夹层的形成，导致土体冻胀变形较大。

(3)冻融循环作用改变了土体结构，使其抗剪强度产生了弱化，对于防渗失效的渠段，在渗流作用下使得强度较弱的渠基土体沿衬砌结构底面产生的接触性冲刷颗粒被带走，由于渠道边坡基土逐渐流失而产生沉陷，导致了渠道边坡衬砌结构的塌陷。