不同断面类型混凝土垫层渠道抗冻胀设计优化研究

肖 让，陈海龙，张永玲,何文博，尚 璐

(1.河西学院土木工程学院；2.河西走廊水资源保护利用研究所；3.甘州区水利工程队，甘肃 张掖 734000)

为解决水资源不足和浪费等严重问题，渠道抗冻胀优化设计能提高输水效率，减少渗透水量。张掖市现有的灌溉渠道，在输水过程中，由于渠道遭受冻胀破坏而产生裂缝，导致灌溉用水渗漏到渠底土壤，造成水量损失，灌溉用水没有被充分利用。由此可见，渠道抗冻胀优化设计研究的重要性[1- 2]。

1 灌区概况

张掖市甘州区大满灌区干渠全长41.83km，支渠与分支渠总长131.04km，斗渠全长109.3km。大满灌区位于甘州区西部，气候寒冷，为典型的温带大陆性气候，冬季寒冷干燥，多年平均气温在7℃左右，温差最高可达31℃，每年11月中旬开始封冻，次年3月完成解冻，冻结期约4个月，冻土深度达到109～123cm，夏季炎热湿润，降雨主要集中在6—9月之间。张掖地区全年降雨量较少，但是蒸发量较大，且张掖地区风向大多为西北风向。

2 冻胀破坏相关参数分析

通过对张掖市甘州区大满灌区渠道实地勘察，收集到渠道所处的地理位置条件及渠基地基土物理性质，对不同断面类型渠道冻胀变形程度进行调查得出影响渠道冻胀的主要因素有：土壤水分、气候条件、混凝土特性、渠基土的物理性质。分析可得出这些影响因素对渠道冻胀的具体影响。

2.1 土壤水分

土壤水主要由结合水和自由水组成，而自由水分成毛管水和重力水，渠道发生冻胀破坏是自由水引起的。在冬季气温降低，灌区的混凝土垫层下方土体温度下降到0℃以下，土中的水分凝结成冰，造成了渠道的冻胀破坏，且不同深度的土层含水率不一样，故而，渠基内水分含量对渠道冻胀有很大的影响[3]。通过选择张掖市干渠某50 m冻胀明显的渠段作研究对象，使用土钻法和烘干法测定土壤含水率，通过观测和参考文献资料可知，渠基土壤含水率跟土层深度成正相关，即随着土层深度的增加渠基含水率不断增加，0℃时渠底土层结冰，渠道发生冻胀。开春时张掖市灌区温度上升，冻土层的冰融化，含水率增大，渠道变形，使渠基部分隆起，造成混凝土破坏，使渠道内水量下渗损失[4]。

2.2 气候条件

张掖市深居内陆，距离海洋较远，冬夏季时间较长，春秋季时间较短，气温在11月到来年3月之间较低，相对湿度较大，易造成渠道混凝土冻胀破坏[5]。

2.3 混凝土特性

因为冬季冻融的影响，防渗渠道出现强度降低、渗透性增大等变化。冻融作用于混凝土使表面剥落，严重时可能露出石子。当外界温度较低时，混凝土受到冻融作用，表层产生细小的裂缝，刚开始这些裂缝不会影响渠道输水，但是冻融一次又一次的作用于混凝土表层时，会使细小的裂缝不断开裂变大，开始影响渠道输水，造成水量损失[6- 8]。冻融破坏不仅引起混凝土表面剥落，而且导致混凝土力学性能的显著降低[9]。冬季冻融降低了防渗渠道混凝土的抗压强度和防渗能力，气温在0℃以下时，混凝土中的游离水结冰，在混凝土内部膨胀，对内部结构产生较大应力，温度高于0℃时，结冰的游离水会融化，降低混凝土内部应力，膨胀作用会消失，在频繁的作用下，造成混凝土疲劳，易造成破坏[10- 12]。冻融作用增大了混凝土内部的孔隙导致防渗性能的降低，张掖市甘州区渠道冻融现象尤为显著。项目组利用HT- 225型混凝土回弹仪(冲击能量2.207J)按照JGJ/T23—2011《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》，于2018年2月对试验段混凝土进行了测定，测得张掖市甘州区大满灌区的渠道混凝土强度变化，见表1。

2.4 渠基土的物理性质

土壤包括冻胀性土和非冻胀性土，而大满干渠渠床地基土为低液限粉土，属于冻胀性土，工程地质条件较差[13]。因颗粒大小不同，吸收水分的能力不同，吸水能力与冻胀能力成正比，颗粒间级配与冻胀力成反比[14- 15]。渗透能力较高，渠道发生冻胀破坏后，损失的水量较大，其物理性质试验结果见表2。

3 优化设计方案

建议对原渠道拆除重新衬砌，横断面形式采用弧形底梯形断面，衬砌材料根据改建渠道的地形、地质、运行条件及当地建筑材料储量综合分析，选择大柏支渠横断面为典型断面，采用以下三种衬砌方案进行比较，三种优化设计方案设计示意图如图1所示。

方案一：采用弧形底梯形断面，底弧半径0.7m，边坡比1∶1，渠深0.8m，渠口宽2.18m。全断面现浇C20砼衬砌，渠底12cm，渠坡底部厚12cm、顶部厚10cm。砂砾石垫层底厚80cm，阴坡厚60～80cm，阳坡厚40～60cm。其优点是防渗效果好，抗冻胀、抗冲刷效果较好，结构整体性强，施工工序少，耗用劳动力少，造价低，使用寿命长，施工方法已经很成熟，并取得了丰富的施工经验。单位投资小，单位投资为397.4元/m。

方案二：采用弧形底梯形断面，底弧半径0.7m，边坡比1∶1，渠深0.8m，渠口宽2.18m。渠底C20现浇砼衬砌，渠坡采用C20砼预制件衬砌，预制件下面铺设土工膜防渗，渠底厚12cm，渠坡厚8cm。砂砾石垫层底厚80cm，阴坡厚60～80cm，阳坡厚40～60cm。其优点是工程防渗效果好，抗冻胀效果好，冻胀破坏便于维修；缺点是施工工序多，施工工艺复杂，质量不易控制。整体性差，运行过程中易发生破坏。单位投资最大。单位投资为420.9元/m。

表1 回弹法检测混凝土抗压强度原始记录和计算结果 单位：MPa

表2 渠床地基土物理性质试验成果汇总表

图1 大柏支渠横断面三种优化设计方案示意图

方案三：采用弧形底梯形断面，底弧半径0.7m，边坡比1∶1，渠深0.8m，渠口宽2.18m。弧形底与边坡采用30cm厚C20细粒砼砌石衬砌。砂砾石垫层底厚60cm，阴坡厚40～60cm，阳坡厚20～40cm。其优点是抗冻胀、抗冲刷效果较好，施工方便，施工方法成熟；缺点是块(卵)石采集困难，施工质量极不易保证，使用寿命短。单位投资较大，单位投资为415.1元/m。

通过以上综合比较分析，经方案比选，方案一弧形底梯形断面，全断面C20现浇砼衬砌方案最优，故为设计推荐方案。为防止冬季渠道及渠系建筑物发生冻胀破坏，参照SL23—2006《渠系工程抗冻胀设计规范》中的有关规定[16]，建议对改建渠道进行抗冻胀设计。

本次抗冻胀设计具体分析了改建干支渠道的地下水位埋深、渠床土质类型、挖填情况等，选择大柏支渠断面为典型断面，采用基土置换法和保温措施法两种方案进行比较。

方案一：采用基土置换法，弧形底梯形断面，底弧半径0.7m，边坡系数1∶1，渠深0.8m；全断面现浇C20砼衬砌，渠底12cm，渠坡底部厚12cm、顶部厚10cm。垫层底厚80cm，阴坡60～80cm，阳坡40～60cm。

方案二：采用保温措施法，梯形断面，底宽0.7m，边坡系数1∶1，渠深0.8；渠底现浇C20砼衬砌，渠底厚12cm，渠坡C20砼预制块衬砌，预制件下面铺设土工膜防渗，渠坡厚8cm。采用泡沫板防冻，泡沫板底坡均厚10cm。

两种抗冻胀设计方案比较，首先从渠道断面结构而言，方案一为弧形底梯形断面，相比方案二梯形断面抗冻胀能力强，其次，从抗冻胀材料的选择上，方案一采用基土置换，便于就地取材，节省成本，施工简单；方案二采用泡沫板，不利于节约工程成本。综上所述，弧形底梯形断面，结合基土置换设计为大柏支渠改建最优抗冻胀设计方案。

4 结语

为避免衬砌发生基土冻胀破坏，保证渠道衬砌的防渗减糙作用，应针对不同的基土冻胀情况，结合冻胀计算成果确定的换填料厚度，采取相应的防冻胀形式。不仅要根据工程的实际情况，结合施工流程进行施工，而且要充分考虑施工地区渠道冻胀的相关参数(土壤水分、气候条件、混凝土特性以及渠基土的物理性质)。通过对河西灌区不同断面类型混凝土垫层渠道抗冻胀设计进行优化，建议对原渠道拆除重新衬砌，横断面形式均采用弧形底梯形断面，衬砌材料根据改建渠道的地形、地质、运行条件及当地建筑材料储量综合分析，选择大柏支渠横断面为典型断面。该方案不仅能够加强混凝土质量的控制，做好混凝土养护和缺陷处理工作，而且可以保障渠道混凝土的质量和性能。