现浇混凝土渠道施工期冻胀原因及预防措施

贾清顺

（河南省河川工程监理有限公司，河南 郑州450016）

1 工程案例

某河灌渠，渠首位置在该河的中游，上游流域面积达到了2019 平方公里，灌区的设计灌溉面积达到了7200 平方公里，可以对6800 平方公里的面积进行有效灌溉。近期对该灌渠进行拓展和改建。其中，混凝土现浇衬砌渠道长76.7km，沿河新辟梯形明渠，渠底宽9.1～13.5m，渠内坡1∶2.25，外坡1∶2.0，渠道纵坡1/18000，采用全断面现浇混凝土防渗衬砌。

本灌渠各部位置受到差异辐射量，其中在阴坡位置、阳坡位置、以及渠底部分的冻土层的深度也不相同。其变形图如图1所示：

图1 梯形砼衬砌渠道破博示意图

2 混凝土渠道衬砌结构发生冻胀破坏的判断准则

判断混凝土渠道衬砌结构发生冻胀破坏的准则依据几点：第一，判断在混凝土衬砌的填缝处所承受的各方向的剪力作用是否超过所混凝土填充材料的剪力标准值范围；第二，是否产生一些过大且不可恢复的变形受力而致使渠道混凝土结构的冻胀破坏；第三，混凝土渠道衬砌板所受到的最大弯矩位置的拉应力是否超过所混凝土的拉应力标准值范围。以上几点主要取决于基土冻胀量h 的大小。

3 案例分析

在施工过程中发现2 号段和5 号段区域出现了冻胀上浮的情况，主要是一些浇注成型的渠底混凝土板，并且出现了渠底衬砌板抬高，抬高的最高处甚至可以达到三厘米，一些混凝土板纵向缝错台的问题，个别区域的渠底衬砌板出现了隆起、裂缝等现象，并且产生了大量的纵向裂缝，宽度可以达到一毫米。个别区域的衬砌板主要位于坡脚一米位置，产生了大量顺着渠道的缝隙，这些缝隙主要在于渠坡阴面位置。

作者简介：贾清顺（1964-），汉族，学历：专科，研究方向：项目管理、新技术应用、施工安全、绿色建筑、成本控制。

3.1 冻胀出现的原因分析

对该渠底衬砌板进行拆除，发现渠道衬砌砂砾料垫层厚度较高，在顶面以下冻土深度达到50～60 厘米，砂砾料垫层往往全部被冻结成块，冻土厚度甚至可以达到10～20 厘米。在地下水位与衬砌土板顶面的距离为50 厘米，单从工程设计方面讲,砂砾料所产生的冻胀能够影响整个渠道结构体的受力稳定性, 冻胀力的设计虽然是作为一种外力，但需要在结构设计时考虑其可能带来的稳定性计算的影响。

3.1.1 混凝土渠道渠底板冻胀受力分析

根据本工程渠底板建立相应的力学模型的渠底部受力图，如图2 所示，图中Nx即渠坡部分的衬砌板所沿竖轴方向对渠底部所产生的约束反力，N 即渠基的冻土部分对渠底所产生的反向约束力；而渠底位置衬砌板的中心点处产生最大弯矩，因此，渠底衬砌板的底板出现裂纹，而且集中在底板中心位置的最大弯矩处。

图2 渠底板受力图

3.1.2 渠坡硷衬砌体冻胀受力分析

本工程中，首先选取了阴坡衬砌板作为研究对象（以单位宽度为研究依据），渠坡硷衬砌在受力不同的相互作用下，其中切向冻结力和法向冻胀力q 之间的互为作用。在阴坡板的不同部位都有明显的初始裂纹，但阴坡板受力最严重部位是在距离B端的L/3 处截面位置上，由图可见，该截面的受力部位，在承受法向冻胀力q 的同时，也受到法向冻结力Fa 的作用，致使弯矩M 的受力作用，同时还受到法向冻胀力q 和Fa 所引起的剪切力Q 的共同作用，其受力图，如图3 所示。

图3 坡板裂纹1/3 处局部受力分析图

3.1.3 气象情况所产生的冻胀破坏的原因

首先是由于特殊气候因素的影响，依照灌渠沿线气象资料分析，在该区域冬季的气温较低，在某年1 月份出现了连续4 天低于零下10 摄氏度的温度，最低温度可以达到零下15 摄氏度，并且出现了30 年一遇的严寒天气，冬季具有大量的雨雪，这些雨雪会顺着坡向渠底流去，并且通过施工缝和一些裂缝渗到砂石料垫层底部，在遇到低温的条件下会导致垫层大量冻结，这样会导致寒冷冻层加厚，造成垫层和地基出现严重的冻胀。在渠底地基及垫层出现冻胀之后，渠底衬砌板会由于两侧坡脚位置的渠坡衬砌约束而导致大量的约束应力，影响渠底衬砌板，造成裂缝等问题。

其次是地下水位影响。通过对现场进行分析，发现冻胀区域的地下水位相对较高，水位与砂石垫层之间的距离为20～40 厘米，在持续低温的条件下冻结缘会逐步加厚，而后由于毛细现象的作用会导致地下水上升，逐步渗透到粒料垫层当中，导致垫层出现结冻等情况，最终出现冻胀破坏[1]。

最后是地质因素影响。某些渠段渠坡的中间位置或者渠底位置出现一定的粘土层，这些粘土层含水量较大。在持续低温条件下这些水分会由于渗透和冻结的作用逐步向沙粒料垫层当中渗入。在此过程中会产生冻胀等问题，造成地基面板出现严重的冻胀现象，最终产生裂缝，破坏建筑结构。

3.2 预防及处理措施

3.2.1 规避冻胀易发环境

为了对渠道混凝土冻胀的情况进行有效控制，在工程规划过程中首先需要注意了解地质情况，规避一些冻胀引发的区域。首先在渠道线路设计选择方面，需要选择一些地下水位深、土质透水性好、地势较高的地段，防止渠道建设在一些有大量粘性土和淤泥、地下水位较浅或者土质松软的路段。其次需要注意如果无法避免在地下水位较高的区域施工，需要重视加强渠道填方，合理地对混凝土冻胀进行控制，并且使其处于地下补给水位之上[2]。

3.2.2 控制基土冻融位移范围

如果渠道的基础为三级、四级，在计算出实际位移最大值后，对基础的冻胀、位移进行有效控制，保证其在合理范围内。一般而言，对基土工程进行控制的方式有两种。

首先为砌置换冻胀土法，主要是将基土冻胀范围内的一些基础置换出来，对冻胀的位置进行控制。在换填高度确定的条件下，依照基础设计的具体要求合理地进行混凝土衬砌厚度以及实际防冻深度的确认。在置换过程中使用一些粗沙、砂砾石为基础，进一步排除基础当中的渗水，阻止地下水流向上方移动，形成冻结区，让渠道出现冻胀的概率降低。与此同时，在使用该方法时如果换填层出现饱和水时，需要注意加强排水系统的建设。

其次为砌隔热保温方法，主要是将保温材料与混凝土的施工结合，主要设计在混凝土的砌体下方。这样可以有效的降低渠道受严寒的影响。另外可以降低垫层厚度，阻断地下水向上方移动，控制渠道基床的冻胀灾害。一般情况下，使用珍珠岩和聚苯泡沫为渠道的保温材料[3]。

3.2.3 合理控制混凝土施工

如果冻胀等级为一级和二级，在冻胀区域和混凝土位置最大位移相近，需要重视对混凝土的施工进行有效控制，以避免由于环境因素导致冻胀。在此过程中使用弧形坡角和弧形渠底的断面施工形式。在一些小型混凝土渠道当中，使用预制u 型混凝土断面并且进行浇铸成型。该施工结构断面占地较小，而且具有较强的抗通胀能力，适合环境因素所造成的各种冻胀形变。在实践当中需要合理调整伸缩缝，并且注意使用正确的填料，以避免结构产生冻胀的现象。比如说混凝土的横向间距控制在3～4 米、纵向间距控制在2～3 米时，可以设置2～3 毫米的伸缩缝，并且在缝中使用聚氨酯、沥青砂浆和塑料胶泥等作为填充料。

3.2.4 渠底渠坡衬砌的优化

如果冬季无法蓄水保温，需要注意科学地对渠坡的保温，不能完全封闭渠底衬砌，防止冬季出现渠底、渠坡相互约束而造成应力，影响整个工程。另外还需要注意及时做好施工缝的处理，在切割施工缝位置补充一些止水材料，避免出现渗水等现象。其次需要渠坡黏土夹层带处理。为了避免渠坡粘土夹层出现冻胀，需要去除一些富含水分的粘土夹层，让换填垫层的厚度增加，这样可以有效的提升防冻胀和排水的效果，尤其是在阴坡位置。另外，还需要重视渠底衬砌板冻胀抬高、错台处的处理。渠底衬砌板由于种种原因而导致抬高、错台，随着温度的升高会逐步恢复，不会产生较大的影响。个别区域的抬高仍然较大，整块板都会出现断裂，在此条件下需要重新进行拆除后完成浇筑工作。最后，需要对未贯通的裂缝处理。对于一些未贯通的裂缝，需要依照裂缝的具体类型来对实验处理方案进行确认，在气温合适时处理裂缝，以符合具体要求[4]。

结束语

在气候复杂的环境下，合理的对防冻胀技术进行应用，可以有效地保证渠道的防渗工作，这也是当前水利工程施工和维护的重点，在渠道建设时，需要对防冻胀的方法进行科学的使用，合理地进行材料的配置，防止出现冻胀灾害，以提升工程的质量。