西北寒旱区渠道新型防冻防渗结构研究

甄玉龙

(甘肃省张掖市水务局，甘肃 张掖 734000)

我国西北旱区农业发展主要依赖灌溉水资源，目前灌溉用水一般采用渠道输送，由于渠道衬砌材料不同，造成输水过程中产生渗漏量不同，其中传统土渠渗漏损失较大，而采用混凝土衬砌渠道可以减少60%的渗漏损失。同时，西北寒旱区海拔较高，冬季土层内平均温度可达0℃以下，导致渠道土体中产生大量冰介质，不但造成渠道冻胀，使衬砌产生较大位移，引发渠道渗漏，而且在持续低温环境下使渠道与冻土形成整体，当冻土受力发生变化时，渠道衬砌的结构关系、力学性能、弹性模量也会相应变化，严重时可以导致衬砌冻裂和融沉。本文首先对衬砌渠道的渗漏冻胀机理进行分析，随后重点对寒旱区渠道新型防冻防渗结构进行研究，旨在为西北寒旱区消减渠道冻胀提供理论依据。

1 渠道的冻胀机理

1.1 冻胀破坏特征

混凝土梯形断面是输水渠道应用最为常见的断面类型，然而梯形渠道衬砌结构也是冻胀最为严重的断面[1]。渠基冻胀容易受外界低温环境、地下水埋深、渠床水分含量、渠道水量渗漏等影响。在冬季负温条件下，外界冷空气通过渠道衬砌结构与渠基土发生热量交换，当渠基土的温度达到冻结温度时，渠基土发生冻结膨胀[2]。随着渠基土的进一步冻结膨胀，当渠基土的冻胀力大于渠道衬砌结构的约束力时，渠道的衬砌结构将发生冻胀隆起。当气温回升后，随着渠基土水分的融化、蒸发流失，渠道的衬砌结构会塌陷变形，同时由于冻胀破坏了渠道衬砌结构之间的粘聚力和摩擦力，从而渠坡面的混凝土预制板出现了滑移，渠道衬砌结构遭受破坏[3- 4]。此外，渠道冻胀量主要出现在渠道基底中部和渠坡面的1/3处，当水渠渠道走向出现不同阴阳坡面时，其阴坡渠道的冻胀量大于阳坡渠道的冻胀量。尤其对于地下水位较高的渠段，渠道的冻胀更为明显[5- 6]。

1.2 冻胀破坏形式

C20号混凝土具有抗压强度大、抗拉强度小等特性，因此对于拉伸变形不能适应。当土体发生冻结时，在冻胀力作用下会破坏衬砌，其破坏形式主要有以下4种：

(1)裂缝和鼓包。外界环境温度较低时，衬砌会与冻土冻结粘连，故衬砌板在承受冻胀力、冻结力的同时其本身也会产生温缩应力。如果混凝土衬砌的最大抗拉应力小于混凝土板温缩应力就会产生裂缝。由于裂缝很难恢复，且各裂缝在相互挤压状态下会产生局部破碎，在持续使用渠道过程中则会发生渗漏现象，当水分持续渗透到渠基后会出现较大的鼓包。

(2)隆起与架空。当渠道地下水位较高时，水分会向冻土方向发生迁移，此时渠顶的冻胀量与渠基冻胀量相差较大，由于冻胀发生不均匀，则同时出现隆起与架空现象，其中在渠底中部或者坡脚部位更容易出现。

(3)滑塌。坡脚衬砌出现隆起与架空后，如果坡脚不能支撑衬砌板，则可能发生失稳状况。上部衬砌在春季冻土融化时容易引起错位与滑坡，致使渠道发生大面积塌陷。

(4)整体上抬。基土冻胀在深度小于1m的渠道中冻胀较为均匀，很难出现整体上抬的情况。但在冻胀初期衬砌完整的小型U型渠道很容易出现整体上抬。

2 防冻防渗结构

2.1 自保温混凝土预制板

传统的渠道设计为了减少渠系水的渗漏，通过在渠道断面上铺设混凝土预制板的方法来阻止渠系水向渠床的渗漏，但处于季节性冻土区的渠道由于冬季冻结和春季融化的作用，渠道的衬砌结构容易遭到破坏，从而丧失了渠道的防渗作用。为了解决渠道冻胀破坏的问题，研究者发现通过在渠道上铺设保温板衬砌结构能够阻止渠道的冻胀[7]。这是由于保温板导热系数低，保温效果好，能够有效地削弱渠床与大气之间的热量交换，从而起到防止渠道冻胀的作用。

采用保温板作为渠道的衬砌材料在实际工程中，渠道的衬砌结构为“预制混凝土板+砂浆过渡层+防渗膜料+保温板”，这种模式能够有效的降低渠道的冻胀，但同时存在一个显著的问题，即工程施工工序较为复杂，且在施工过程中容易损坏保温板。此外，以往研究渠道衬砌结构只是独立的研究渠道防冻和防渗问题，尚未采用将各种材料相结合的方式来解决渠道的渗漏、冻胀问题。自保温混凝土预制板就是在混凝土板预制过程中加入保温板，不仅可以减轻渠坡面混凝土预制块的重量，而且能够减小混凝土预制板的导热系数，阻碍了冷空气通过渠道衬砌结构传入渠基土发生热量交换，从而降低了渠基土的冻胀，保护了渠道衬砌结构。

自保温混凝土预制板是由混凝土和保温板组成的双层预制板，其综合导热系数决定着自保温混凝土预制块的保温性能，通过公式推导，可计算得出自保温混凝土预制板的有效导热系数。

2.1.1导热系数的计算

十九世纪初期，傅里叶导出了热传导平衡微分方程[8]，傅里叶热传导方程适合于稳态的导热系数的计算。由Agari[9]提出的热传导模型(如图1所示)可知，自保温混凝土预制板的混凝土和保温之间的热流传导方向是垂直的，可以看做是串联关系。在计算自保温混凝土预制板中假设热量在混凝土内部中各点的传热速率是相同的，保温板亦是如此。

图1 热传导模型

傅里叶的热传导方程:

λm=Q·d/(A·Δt)

(1)

假设给定一定的热量混凝土所用的时间:

(t1-t2)=(Q·d1)/λ1·A

(2)

给定相同的热量保温板所用的时间：

(t2-t3)=(Q·d2)/λ2·A

(3)

热量传导混凝土和保温板所用的时间：

(t1-t3)=(Q·d2)/λ2·A+(Q·d1)/λ1·A

(4)

把自保温混凝土预制板双层材料看做是一层材料，其导热系数：

λm=(Q·d)/·[A(t1-t3)]

(5)

将公式4代入到5中可得自保温混凝土预制板的综合导热系数：

λm=(d1+d2)/ (d1/λ1+d2/λ2)

(6)

式中，λm—自保温混凝土预制板的导热系数，W/(m·k)；d—自保温混凝土预制板的厚度，mm；λ1—混凝土的导热系数，W/(m·k)；λ2—保温板的导热系数，W/(m·k)；d1—自保温混凝土预制板中混凝土的厚度，mm；d2—自保温混凝土预制板中保温板的厚度，mm；

将各参数代入公式6计算导热系数见表1。

2.1.2自保温混凝土预制板性能分析

从表1中可看出同样厚度的自保温混凝土预制板和普通混凝土的导热系数分别为0.068、1.51W/(m·k)。采用自保温混凝土预制板的综合导热系数相比采用同样厚度普通混凝土预制板导热系数下降了95.5%，极大地降低了衬砌材料导热系数，削弱了冬季冷空气通过渠道衬砌结构与渠道土发生冷热交换，降低了渠基土的冻胀量，从而保护了衬砌结构。此外，采用自保温混凝土预制板可以大大地提高渠道施工进度，缩短渠道的工期。

表1 自保温混凝土预制板厚度和导热系数

自保温混凝土预制板是在混凝土预制块中加入防渗的保温板，其不仅降低了衬砌结构的导热系数，而且减轻了混凝土预制块的自重。自保温混凝土预制板与传统的400mm×600mm×80mm混凝土预制板比较该预制块增大了0.0048m3，但其重量减轻了2.7124kg。预制块重量的减少和体积增大有利于渠道衬砌层自身稳定，减小了渠道坡面的重量，提高了渠道坡面的稳定性。

2.2 渠道防冻防渗复合层

针对渠道的衬砌结构发生冻胀破坏，通常采用了冻胀消减的原理来处理渠基土的冻胀问题。即在渠道铺设一定厚度导热系数低、保温性能好特性的材料，能够削弱外界的冷空气通过衬砌结构与渠基土发生冷热交换，从而减小渠基土的冻结膨胀，渠道衬砌结构免于遭受破坏[10]。常采用保温板衬砌材料渠道的衬砌结构为“预制混凝土板+砂浆过渡层+防渗膜料+保温板”和“预制混凝土板+砂浆过渡层+保温板+防渗膜料”两种衬砌方式，两种衬砌方式在实际的工程中渠道防冻胀效果显著。

传统解决渠道的冻和渗问题的方法，都只是单独的解决。渠道的渗漏的问题通常通过断面衬砌混凝土来解决，而对于防冻的解决措施，通过在渠道衬砌结构上铺设一定厚度的保温板来阻止热量的交换，削弱渠基土的冻结深度来实现的。采用上述方法在一般的渠道地区能够实现渠道的防冻胀、防渗漏要求，防止衬砌结构被破坏。因此，阻止水分进入保温板是保证渠道衬砌结构的关键所在，同时应该将渠道的冻和渗相结合起来考虑，提出一种新型材料：防冻防渗复合层。防冻防渗复合层是用土工布将整个保温板六面环包，从而形成了防冻防渗复合层。保温板外部的土工布(一布一膜)可以起到保温而且防渗的作用，阻止了渠系水的水分的渗漏和土壤水进入保温板，保证了保温板的保温机能发挥到最佳状态。

渠道的边坡浅层稳定性与预制板、保温板、防渗层和垫层材料之间的摩擦特性有关，传统的衬砌结构为“混凝土预制板+砂浆+保温板+防渗层”，各种衬砌材料之间都是相对独立的。而采用防冻防渗复合层作为渠道衬砌结结构时，渠道整体的衬砌结构为“混凝土预制板+砂浆+防冻防渗复合层”。防冻防渗复合层相对于传统的衬砌“保温板+防渗层”，其作为一个整体，阻止了保温板与土工布之间的滑移，防冻防渗复合层外的土工布与黏土之间的粘聚力增大，且复合层外的土工布与砂浆的摩擦力和粘聚力远远大于保温与砂浆之间的摩擦力和粘聚力。因此，防冻防渗复合层增大了渠道边坡衬砌材料之间的粘聚力和摩擦力，提高了边坡浅层的稳定性。

2.3 渠道衬砌结构

2.3.1渠道衬砌一般结构形式

处于我国的季节性冻土地区，由于地质构造的影响，渠床土颗粒为粒径处于0.05～0.002mm之间，粘粒含量较高的冻胀敏感性土壤。随着土体的冻结土体中的水分开始冻结变成冰，在水分的迁移和聚集下，土体发生膨胀，最终发生冻胀破坏[11]。对渠道的防冻采用铺设保温板方法，由前面已经讨论了防渗防冻复合层，因此渠道的衬砌结构可采用“混凝土预制板+砂浆过渡层+防冻防渗复合层”方式来削弱渠基土的冻结膨胀，保护渠道的衬砌结构。

2.3.2特殊渠段衬砌结构形式

在实际工程中观测发现采用渠道防冻胀一般结构形式进行渠道的衬砌，这部分渠段渠基土中的地下水位较高、冻涨量大，在冬季负温作用下渠道的一般衬砌结构不能够阻止外界冷空气与渠基土发生热量的冷热交换，渠基土发生冻结，从而渠道衬砌结构出现隆起现象。采用防冻防渗复合层可以解决水分进入保温板影响保温板保温性能问题，但仍然不能解决部分渠段的水文地质渠基土冻胀量大的问题。因此，提出了精准加热保温防冻防渗渠道，其工作原理是在渠道断面冻胀量较大的区域进行热量补偿，即通过外界的热量补偿，抵消了冷空气通过衬砌结构与渠基土发生热量交换的这部分热量，从而阻止渠道冻结，保护了渠道衬砌结构。精准加热保温防渗防冻渠道不同于渠道防冻胀一般结构，是在自加热型防渗防冻复合层中铺设电热丝，通过电热丝来提供热量。

加热型防冻防渗复合层内的保温板由含有网状的镂空层的保温板和没有镂空的保温板组合封闭而成。采用含有镂空层保温板可以一定程度减缓渠道基土与寒冷的大气之间的热交换，降低了保温板的导热系数，提高了保温板的保温性能。

2.3.3新型渠道衬砌结构形式

渠道新型防渗防冻衬砌结构是针对于在极寒地区渠道的地下水位加高，采用“混凝土预制板+砂浆过渡层+防冻防渗复合层”衬砌结构仍然不能满足渠道的防冻要求。基于渠道衬砌结构冻胀破坏机理，发现渠道最容易发生冻胀破坏的区域为渠道坡面的1/3处和渠底中部，通过对渠道最容易发生冻胀破坏的区域进行热量补给，减少了渠基土的热量损失[12]。因此，在整个渠道断面可分为两部分保温，即加热保温区和非加热保温区。基于渠底和渠坡面的1/3～1/4处渠道的冻胀破坏最为严重，此区域设立保温加热区，渠道断面其他区域为非保温区。在加热保温区，渠道的衬砌结构“混凝土预制板+砂浆垫层+加热型防冻防渗复合层+水泥细沙垫层”，非加热保温区的衬砌结构为“混凝土预制板+砂浆垫层+防冻防渗复合层+水泥细沙垫层”。

3 结论

通过综合分析不同防冻胀防渗措施，结果表明：采用自保温混凝土预制板，不仅其综合导热系数相比采用同样厚度普通混凝土预制板导热系数下降了95.5%，极大地降低了导热系数，提高了渠道保温性能，而且与传统的混凝土预制板相比较，该预制块重量的减少和体积增大有利于渠道衬砌层自身稳定，减小了渠道坡面的重量，提高了渠道坡面的稳定性。防冻防渗复合层能同时解决渠道防冻和防渗问题，阻止了水分进入保温板影响保温板的保温性能，同时防冻防渗复合层外部的土工布增大了其与砂浆垫层和渠基土之间的黏聚力和摩擦力，提高了渠道坡面的稳定性。因此，在我国极寒灌区渠道的衬砌结构为“混凝土预制板+砂浆垫层+加热型防冻防渗复合层+水泥细沙垫层”更有利于防止渠道渗漏和冻胀。