刚性护面渠道冻胀破坏分析与防治技术

常玉荣　刘燕楠　汪思佳　王越　李丹

摘 要：利用衬砌渠道减少引水漏水损失，提高灌区水资源利用效率，对农牧业发展具有特别重要的意义。但是，在我国寒冷地区，渠道衬砌工程一般都有严重的冻害。针对季节性冻土区衬砌渠道冻胀破坏的问题，本文提出了有效的防冻技术措施，为多年冻土区衬砌渠道的设计提供参考。

关键词：衬砌渠道;冻胀破环;冻土区

0 前言

渠道是从原地面开挖或挖填并举的方式建成的输水工程。通道的建设将改变原始土壤的温度，湿度和应力场。基土中的空隙水受外界温度的影响，产生季节性冻胀和融沉，使得坐落在土基上衬砌物，受到种种动力作用而产生不同部位、不同形式、不同程度的破坏，造成衬砌物的鼓起、错位和滑移，施工缝和膨胀缝开裂，填料无效，渠道防渗功能部分丧失。由冻胀和融沉引起的残余变形将逐年增加，直到总使用价值丧失。所以如何设法减少或消除河床基土的冻胀性，则是设计者需要解决的问题。

1 刚性护面渠道冻胀破坏成因分析

（1）土质条件

当渠床为粗颗粒土时，一般冻胀量很小。当衬砌适应不均匀冻胀变形能力较强时则冻胀破坏不会出现。当渠床为细颗粒土，特别是粉质土时，当含水量较大且有地下水补给时，则很大的冻胀量将会产生;当渠床上采用混凝土或浆砌石等适应变形能力较小的刚性衬砌时，往往会产生冻害破坏。在有地下水补给条件下，渠床的最大冻胀量分别达43 cm和41 cm，在强冻胀土地区，若不采用消除或削减冻因措施，既使采用适应冻胀变形能力强的柔性砌村也难免受冻害破坏。

（2）水分条件

土体中的含水量的多少是引起土体冻胀的关键因素。土体是否发生冻胀，含水率都有一个界限，即为起始冻胀含水率。只有超过这个界限后，土中水相变成冰体积膨胀才能产生土体冻胀，当土中含水率小于起始冻胀含水率时，存在于土颗粒空隙中的水是“冻而不胀”，其原因是在这种含水率的情况下，水相变成冰，体积膨胀填充了土的孔隙，地表层并不显示隆起。由于渠床土体水分状态是决定衬砌物是否发生冻胀破坏的重要因素，所以混凝土预制板衬砌（或现浇混凝土板衬面）裂缝多发生在靠近坡脚和坡底。

（3）外界负温

外界气温是引起土体冻胀的外界条件，土壤的冻结伴随着土中温度的变化过程。负气温通过与土体的各相介质的热交换，使得土体温度下降。每一种土质都有各自的起始冻结温度，土的冻结温度与土颗粒分散度、矿物成分、含水量以及水溶液浓度有关。随着含水量的增大土壤冻结温度会随之提高，反之，亦然。

（4）渠道村砌的结构特点

目前我国采用较多的是混凝土和砌石等刚性衬砌，这些衬砌的特点是抗拉强度低，但是抗压强度高，衬砌层薄，对冻胀敏感，适应变形能力差。当渠床产生不均匀冻胀变形时，容易引起衬砌产生强度破坏，造成各种裂缝。这种渠道衬砌的结构特点也正是其易受冻害的原因之一。

2 刚性护面渠道抗冻胀措施

当渠道衬砌的材料和断面形式相同，基土土质不同，其冻害的程度也不相同。故可将其根据渠基土冻胀性采取不同的抗冻胀措施。

2.1 渠基土冻胀性类别属于Ⅱ级以下，冻胀量小于2倍允许冻胀位移量时的抗冻胀措施

（1）对于小型渠道，可以采用整体式U形槽衬砌。因为 U形断面较梯形断面具有一定的反拱作用，渠基土冻胀时，其冻胀变形分布均匀，抵抗力较强，可以明显减轻冻害，而且在基土溶化后，基本上能够复位，残余变形较小。

（2）对于中小型梯形混凝土衬砌渠道，可以采用架空梁板式或预制空心板式结构。为了增强梁板结构的抗冻害能力，宜采用钢筋混凝土梁，从而提高梁的抗弯、抗剪强度。预制空心板结构的厚度大于同方量实体混凝土板的厚度，起到了保温隔热作用以减少冻结深度。

（3）对于大型渠道，可采用现浇的混凝土肋梁板、楔形板、中部加厚板或预制的门形板等防身结构形式

2.2 渠基土冻胀量大于2倍允许冻胀位移量时的抗冻胀措施

（1）渠基土换填措施

应采用砂土、砾石、碎石、矿渣等非冻胀型土，或者上述材料的混合料换填冻胀性较好的细颗粒土。渠道断面的不同点和不同部位宜采取不同的换填深度。根据《渠道防渗工程技术规范》（SL18- 2004），换填料应置换到封顶板边界以外10cm。当渠道中水流速度较大时，应防止水流对换填层的淘刷;当渠水含泥量较大时，应防止换填层含量的增加而丧失换填功效，故最好在换填层外围用土工布保护。

（2）保温隔热措施

保温隔热措施是指在渠道衬砌下面铺层导热系数较小的隔热材料，从而达到渠道基土不冻结或削减冻结深度，以达到减小渠基土冻胀或不发生冻胀的目的。目前工程上常用的保温隔热材料是聚苯乙烯泡沫塑料板。聚苯乙烯苯泡沫塑料板技术的应用具有较强的全面性，在抗冻的形式上更加安全稳定。同时，该项技术在使用以后，后期不会出现频繁的维护现象，节省了后期的维护费用。

（3）排水、隔水措施

对同一工程地点来讲，渠床土壤的含水量和地下水位是影响冻胀的关键所在，故搞好排水、隔水措施是解决渠系衬砌防治冻胀破坏不可忽略的问题。排水、隔水法是通过排水或阻水的方法来改变水分的运移方向，从而达到减少或避免建筑物冻害的发生。在工程实践中，根据不同类型的建筑物平板基础的工作条件，建筑物允许变形条件，使用年限以及地基的水文地质条件，地形条件可以采用不同的隔水、排水方法。

（4）物理化学法改良地基措施

物理化学法改良地基是通过外加物质与土颗粒进行物理作用或化学作用，从而改变地基土的特性，以减少或消除地基冻胀的一种方法。目前主要采用人工盐渍化、掺加憎水物质和利用外加剂改变土的分散性三种方法来降低土粒表面自由能量和冻结温度，并改变土粒的亲水性、矿物的水化性、地基的透水性，从而减少或消除地基冻胀。

3 结束语

渠道冻胀是我国严寒地區渠道防渗体系遭到破坏的重要原因之一。影响渠道冻胀破坏的因素有土质条件、水分条件、气温条件等。因此应根据当地气温、地下水位、土质、多年平均冻深（10年以上）等情况，选择合理的防冻胀措施以适应、削减渠基土冻胀措施为主，再加上经济实用的加强结构等抵抗冻胀破坏。