新疆地区混凝土渠道冻胀破坏影响及其防冻措施

2020-01-06王万洋

水利科学与寒区工程 2020年3期

王万洋

(新疆瑞祥农牧工程咨询设计院有限公司，新疆乌鲁木齐 830000)

自20世纪60年代以来，新疆修建了大量的水利工程，其中修建了超过30万km的各类输水渠道。这些输水渠道中只有三分之一左右的渠道进行了防渗处理，其余渠道未做防渗处理，在输水时水资源流失严重，输水损失率很大，进一步加剧了水资源的紧张局面。研究表明，衬砌后的渠道可减少输水损失约70%左右[1]。然而，新疆属于季节冻土区，渠基土体中的水冬季会结冰土体冻胀，夏季会融化土体下沉，衬砌过的输水渠道如不采取防冻胀设计和措施，渠道会发生比较严重的冻胀破坏[2]。本文通过对新疆地区渠道病害的调查研究，对混凝土渠道基土冻胀的影响因素进行了分析，并据此提出了渠道抗冻胀技术和措施。

1 混凝土渠道冻胀影响因素

冻土是由土颗粒、冰、空气、矿物质及吸附水等组成的多相特殊的土类。由于冻土的复杂性，所以影响其冻胀的因素也有很多，但主要与其组成、结构和温度有关，如含水量、颗粒粒径、含盐量等。混凝土输水渠道的破坏主要是由渠基土体冻胀引起的不均匀沉降造成的。

1.1 未冻水含量的影响因素

冻土冻结后，不是全部的水都转化为冰，还有颗粒表面的结合水不会转化，这部分未冻水可以随温度在水和冰之间变化，温度升高时，未冻水含量增加，温度降低时，未冻水含量减少，导致了土体性质的变化。未冻水含量和土质(土颗粒的矿物质成分、密度、分散度、水溶液的浓度和成分)、外界条件(压力和温度)、冻融史有关。

在相同的温度下，土壤的颗粒越细、表面积越大，则未冻水含量越大，如黏土中的未冻水含量大于粉土，粉土大于沙土。在相同的温度下，渠基土体中未冻水含量随初始含水量增大而增大。当温度低于-2 ℃时，渠基土体中未冻水含量随土体干密度的增大而增大。在给定的温度下，渠基土体中未冻水含量随土体含盐量的增大而大幅增加。

冻土中除土颗粒外，还有已冻结的多晶冰，而多晶冰也呈颗粒状，也能吸附一定量的未冻水，也会对未冻水含量产生影响，从而影响到渠基土体的性质。多晶冰中的未冻水含量随冰晶颗粒的减小和冰饱和度的增加而增大。土体颗粒及多晶冰颗粒之间空隙中水的气体含量和冻结速率都大，可以影响到冰晶的形成，进而对未冻水含量有影响。

在温度相同时，渠基土体中未冻水含量随外部加载压力的增大而增大。在渠基土体含水量相同时，土体的冻结温度随外载压力的增大而线性减小。

1.2 冻土中水分迁移

渠基土体中水分的冻胀主要分为原位冻胀和分凝冻胀，原位冻胀造成的体积增大很微小，分凝冻胀造成的体积增大较为明显，是土体冻胀的最主要的影响因素。分凝冻胀是由土体中地下水迁移引起的，包括水分迁移和负温结冰两个过程。渠基土体冻胀的主要影响因素是土体中的水流情况和温度变化引起热水流情况，土质、含盐量、外载压力可以影响土体冻胀的程度和速度。

影响水分迁移的条件主要有：温度、水分、土质。温度梯度越大，土体的冻结速率越大，反之温度梯度越小，土体的冻结速率越小，冻结锋面推进越慢，水分迁移的时间越长；水分条件主要包括土体的初始含水量及含水量的变化、地下水位及其与冻结锋面的距离；土质条件主要与土体颗粒大小有关，颗粒的比表面积越大，吸附水的能力越强，水分的迁移能力越强。

水分迁移受温度、土质、水分的综合影响，因而水分迁移具有较大的随机性，但在时间顺序上是连续的，此外，当温度和土质条件不变时，地下水位的不同，会导致水分迁移出现不同的特征，如冻结前地下水位较高，土体的初始含水量会较大，冻结锋面移动会推迟，所以冻结前期水分迁移不明显，随着冻结过程的深入，水分迁移加快，迁移量达到最大，渠基土体中的水分聚集和聚冰情况加剧，土体结构会发生冻胀破坏。

2 渠道防冻胀措施

根据上一节分析的引起渠基土体冻胀的影响因素，混凝土渠道可以从改善渠基土的温度场和水分场、采取合理的衬砌结构、科学的运行管理模式和开发新型的防渗材料等方面采取防冻胀措施。

2.1 保温隔热措施

保温隔热措施是指在渠道混凝土衬砌结构中采用保温隔热材料层，改善渠基土体内部的温度场，防止渠基土体冻结，消除土体冻胀力的措施。目前，在混凝土渠道衬砌或者建筑外墙保温等工程中常用的保温隔热材料为硬质聚苯乙烯泡沫塑料板，其具有不透水、抗老化、耐腐蚀、保温效果好、造价低、施工方便等优点。研究表明，混凝土渠道为东西走向时，渠道背阴坡底部及下部铺设10 cm厚保温板、上部铺5 cm厚保温板，渠道向阳坡下部铺5 cm厚保温板、上部铺3 cm厚保温板，可基本上消除渠基土体的冻胀，不产生冻胀破坏；混凝土渠道为南北走向时，渠道背阴坡铺设8 cm厚保温板，渠道向阳坡铺5 cm厚保温板，可基本上消除渠基土体的冻胀，不产生冻胀破坏。

2.2 基础换填处理

基础换填处理是指用砂砾石等非冻胀性土来换填原渠基的粉质黏土、壤土等冻胀性土，改善渠基土体的排水性，并改善渠基土体水分场的措施。采用砂砾石换填可以使渠基土体实际含水量低于起始冻结含水量，当地下水位较高时，结合排水措施，可有效减轻渠基土体的冻害。渠基土体的冻深随换填厚度的增大而增大，冻胀量随换填厚度的增大而减小。对南北走向的渠道，渠底换填风积沙40 cm可使冻胀量减小超过1/2，换填60 cm厚时，可使冻胀量减小3/4。

2.3 合理的衬砌结构

合理的渠道断面和衬砌结构可以有效降低冻害的破坏。目前，渠道主要的衬砌结构为复合结构，由混凝土护板、防渗膜料等组成，在寒区还有保温层结构。常用的防渗膜料有聚乙烯塑料薄膜、沥青玻璃丝布油毡、复合土工膜等。混凝土衬砌结构和断面型式根据工程的规模等选取，一般大型干渠、支渠采用梯形断面或梯形断面弧形渠底加防渗薄膜[3]的衬砌结构型式，断面较大的斗渠采用梯形断面弧形渠底加防渗薄膜的衬砌结构型式，小斗渠、农渠常采用预制混凝土板或预制混凝土U型槽的衬砌结构型式，也可采用复式矩形断面加防渗的结构型式。

2.4 合理的运管模式

渠道运行管理过程中，科学的管理模式和调度方法对渠道的运行有着重要的影响。需要根据不同的用水需求、不同用水时段、不同的地域制定相适应的渠道运管计划，以保障渠道正常运行。在需要冬灌的灌区，采用节制闸控制渠道常水位，可以达到控制渠基土体温度的效果，使混凝土初期衬砌不会出现冻胀破坏；在不需要冬灌的灌区，尤其是严寒地区，需要随时掌握气温及渠基土体温度的变化，在渠基土体封冻前及时放空渠道，保障渠道无水，降低渠基土体含水量，防止冻胀。此外，还应鼓励农民积极参与渠道的运行管理，调动农民的积极性，进而降低渠道维护成本。

2.5 研制新型衬砌材料

随着科技的发展，用于混凝土渠道的衬砌材料也越来越广泛。常用的新型材料有固化剂、纤维混凝土以及高分子材料等。固化剂采用离子交换原理，将有机成分溶于土壤中，破坏颗粒吸附水的能力及土体的结构，并发生离子反应形成新的胶凝物质，进而达到硬化土体和防渗的作用。固化剂具有防渗、抗压、抗冻胀、无污染、应用范围广、造价低、性能稳定，以及施工方便等优点，在中小型渠道衬砌中应用价值较高。纤维混凝土是在混凝土拌合过程中加入聚丙烯纤维丝，来增强混凝土的抗拉、抗裂能力，增大其塑性，保持混凝土衬砌结构的整体性。纤维混凝土最早应用于建筑中，对提高混凝土的早期强度，防止水化热、干缩等产生的微裂纹，减少混凝土开裂宽度和表面裂缝，提高混凝土的防渗性能有明显的效果。在大型渠道、蓄水池等建筑物中有很高的应用价值。高分子材料应用的衬砌结构能适应冻胀变形，防渗效果好，可有效减轻冻胀和混凝土开裂等问题，具有技术可靠、结构简单、经济合理等优点。高分子材料作为渠道衬砌结构正是目前很热门的研究方向，应用前景广阔。