寒冷地区渠道混凝土冻胀破坏的原因及防治措施研究

沙吾列提汗·对山拜

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

大多数北方地区的冻结期较长，一般为十一月底开始，至四月结束，冻结期一般为3个月，部分地区可长达半年，在负温条件下，土壤在表层开始冻结，并随着寒冷的冻结期持续的向下发展，冻深可达100 ～150 cm，使各种建筑物都遭受严重的冻害，其中以输引水渠道为代表的水工建筑物最为严重。

渠道冻胀的破坏表现为渠道架空、隆鼓、渠道坡板断裂、渠道整体上抬变形等，引起渠道渗透破坏。近年来，在渠道设计中，采用铺层土工膜进行复合式渠道衬砌，使渠道具有较好的抗渗、排水、抗拉性能，从而适应了渠道冻胀的变形，具有较好的防渗防胀效果[1-2]。本论文以新疆某灌区渠道工程为例，分析了寒区混凝土渠道冻胀破坏的机理，对于干旱寒区广大灌区就提高灌区输水的有效利用率具有实际意义。

1 冻胀破坏的机理及相关因素

1.1 基土含水率对冻胀的影响

基土土体中的水分迁移及对土体的冻胀力大小，受渠道基土所在地区位置的温度、环境等影响。通常情况下，如果基土中的初始含水量超过冻胀最低含水量时，渠道所受到的法向冻胀力会随着基土中的初始含水量大小而变化，通过大量的研究和实测数据可知，在特定温度下条件，当基土中的初始含水量超过冻胀最低含水量时，基土即出现冻胀。根据灌区实测资料显示[3]，当渠道停止行水后，渠床底100 cm内基土的含水率约为26.5%～29.8%，远超过冻胀最低含水率。

1.2 土质类型对冻胀的影响

在特定的温度和水分条件下，土质的成分和组成会影响冻结过程中水分的补给和迁移，通常粒径在2 mm以上的砂砾由于孔隙较大所以导水通畅，一般不存在毛细管作用，当基土冻结时基本无法帮助水分进行补给和迁移。但如果基土土质为粒径0.050～0.005 mm的粉质黏土，由于其导水通畅，同时表面吸附能力强，并且有很好的保水性。所以其产生强烈的毛细管作用，粉砾黏土是冻胀最为敏感的土类之一[4]。通常情况下，对于冻胀越敏感的土质，所产生的法向冻胀力也越强烈，在同一环境下，不同土质所产生的冻胀力由大到小的顺序依次为：粉质土、亚砂土、亚黏土、黏土、细砂、粗砂。

1.3 地下水位对冻胀的影响

大量的试验表明，在特定的环境和土质下，冻胀强度与地下水位呈双曲线变化，目前我国西北部已建立了大量的冻胀试验厂，以便实地观察地下水位对于冻胀率的影响。以下为张掖试验厂对于不同土质和地下水位的函数关系表达式(1)～(3)[5-6]。

土质为细砂时：

(1)

土质为砂壤土时：

(2)

土质为壤土时：

η=60.5e-0.0146 hw， 系数r=0.883

(3)

式中：η为冻胀率，%；hw为地下水位，m。

综上可知，地下水位的高度通过影响负温环境下地下水份向冻结冰锋迁移状态，从而影响渠道基土的冻胀强度。通过试验研究和实践证明，在同一渠道不同测点，地下水位越高的测点其冻胀变化越大；地下水位越低的测点，其冻胀变化越小。实际的观察现象表现为，同一位置内，渠坡测点相较于渠底测点的冻胀变化较小，并且从下至上变小。

2 以渠道为原型的有限元模型分析

2.1 渠道工程概况

新疆北疆某灌区属大陆性气候地区，地区气候干燥、雨量稀少，冬季寒冷，年平均温度为9.0～11.0 ℃，年最高温度约为42.2 ℃，年最低温度约为-28.9 ℃，每年12月底为冻结期，开春2月底为解冻期，年均0 ℃以下温度期长达80 d。该灌区引水渠道长约1500 km，采用C15混凝土衬砌，厚度为80 mm，渠坡角为45°，取渠道基土为粉质壤土，取土质干密度为1.4 g/cm3，图1 为该原型渠道的横向截面图及尺寸。

图1 渠道截面示意图(单位：m)

表1～表2为原型渠道的各测点温度和冻结统计数据。

2.2 建立模型

根据表1～表2列出的测量数据，假定模板边界温度为各测点平均最低温度，阴坡基土边界为69 cm处，阳坡基土边界为44 cm处，渠底由69 cm 处直线过渡到44 cm处，通过简化，假设渠道衬砌板与基土为一个整体，并自由网格化建立有限元模型，得到图2共1873个单元。

表1 渠道冻结统计

表2 渠道测点数据

图2 渠道有限元网格图

2.3 计算过程

(1)温度计算。将表1中的各测点月最低温度代入渠道表面及渠道地面为上边界条件，将结冰温度0 ℃代入冻深处为下边界条件，转换为热分析单元进行模拟求解，得到图3的温度场结果。

图3 温度场结果图

(2)位移应力计算。经过上述温度计算后，将模型单元类型转换为结构静力单元进行模拟求解，将模型下边界横向设置Y轴约束，将模型下边界纵向设置x轴约束，模型上边界无约束力，代入上述温度计算结果进行模拟求解，得到图4的位移和应力图5。

图5 应力场变化结果

2.4 分析结果

由于渠道受阳光日照的影响，渠坡形成了阴坡和阳坡，导致两坡存在分布温差，从图4温度场结果图可知，两坡的温度分布规律基本一致，但阳坡的温度梯度小于阴坡，所以导致阳坡冻结深度较小。

图4 位移场和变形结果

从图5可知，阴坡较阳坡的位移场偏大，而渠道底最小。在冻胀力的作用下，存在渠道整体上移且偏向阳坡的现象。主要原因是阴坡与阳坡存在温差，导致阴坡的冻结深度大于阳坡，同时受到渠道衬砌和渠道底基土的约束，从而发生整体上抬且偏向阳坡的现象。

从图6可知，两坡与渠底连接处存在应力集中的情况，同时渠道地面与两坡的连接角也存在较大的应力。两坡底自下而上存在等效应力集中，且阴坡较阳坡偏大，这是因为受日照方向的影响，同时地下水位越高的位置其冻胀变化越大。而地下水位越低的位置，其冻胀变化越小，反应至渠道原型则导致渠底和渠坡自下而上三分之一处容易发生冻胀破坏，其中渠坡与渠底连接处破坏最为严重，以上分析证实了渠道实际的测点情况，与实际情况相符。

3 针对性防治措施

因此，基于上述得出的渠道冻胀破坏的机理和影响因素，本文认为可以从下列几点措施进行防治。

3.1 基土置换

前述已知，不同土质对于冻胀敏感性不同，越敏感的土质所产生的法向冻胀力越大，在同等环境条件下，越敏感的土质越容易出现冻胀破坏，且破坏力越大。所以，对于基土冻胀敏感性高的渠道土体，可采用基土置换的方式来减少渠道所遭遇的冻胀破坏。基土置换法即通过置换回填的方法把渠道原冻胀敏感性土质重新置换为冻胀敏感性低的土质，常见的低敏感性土质有砂卵石、风积砂等，上述填料可以减少在负温条件下地下水份向冻结冰锋面迁移和补给，从而降低冻胀破坏。

3.2 阻断法

阻断法是指在渠道衬砌前为渠底铺设防水隔热材料，其原理是通过防水隔热材料减轻和隔绝来自上方渠道面的受感负温，同时隔绝地下水对土质的水份补给和迁移，从而减轻渠道基土冻胀情况发生。从20世纪80年代开始，伴随着我国的化工行业的飞速发展，由聚苯乙烯制成的泡沫材料由于重量轻，保温隔热性好，防水等特点，现广泛应用于建筑工业等领域，目前新疆地区的渠道建设中已大范围使用。泡沫材料铺设厚度应根据热工计算，通常取冻胀深度的10%为铺设厚度。

4 结 论

文章以某新疆北疆某灌区渠道工程为研究对象，以渠道冻胀破坏的原因为研究问题，通过渠道冻结数据为关键信息，基于有限元模型分析，结果表明:渠坡阴阳两坡存在分布温差，从温度场分析图得出两坡的温度分布规律基本一致，但阳坡的温度梯度小于阴坡，所以导致阳坡冻结深度较小；阴坡较阳坡的位移场偏大，而渠道底最小，且在冻胀力的作用下，存在渠道整体上移且偏向阳坡的现象；两坡与渠底连接处存在应力集中的情况，同时渠道地面与两坡的连接角存在较大的应力；两坡底自下而上存在等效应力集中，且阴坡较阳坡偏大。反映至渠道原型则导致渠底和渠坡自下而上三分之一处容易发生冻胀破坏，其中渠坡与渠底连接处破坏最为严重，与实际情况相符。因此，在渠道设计阶段，对易发生冻胀破坏部位的结构强度可适当加强。