扬黄渠道冻胀破坏的原因及预防措施研究

王绪存，吴 荣，于国兴，晁 海，丁良杰，杨 军，张建荣

（宁夏回族自治区固海扬水管理处，宁夏中宁 755100）

0 引 言

固海扬水渠道是宁夏建设最早规模最大的提水灌溉渠道，首级泵站从中宁县泉眼山黄河南岸抽取黄河水，沿途经过十几级泵站逐级扬水至固原市原州区，灌区农业灌溉面积和补灌面积共计11.256 万hm2。为中南部贫困山区群众的脱贫致富起到了巨大的推动作用。

固海扬水干渠是混凝土板衬砌的梯形渠道，部分挖方段渠道两侧高地均为农田，渠道基土含水量大，导致混凝土板的填缝混凝土出现开裂、混凝土板隆起、板间架空、混凝土板错位、滑塌等冻胀破坏现象比较严重。据统计固海渠道因冻胀造成混凝土板的隆起、架空和滑塌等破坏现象约占渠道破坏总数的82%，局部边坡混凝土板整体滑塌不能正常输水的现象时有发生。

许多学者对旱寒区渠道衬砌工程的冻胀破坏进行大量研究，王正中等［1］从工程力学和水—热—力耦合的数值模型研究冻融破坏机理和抗冻胀技术；葛建锐等［2］利用弹性地基梁治理渠道破坏；王希尧［3］、孙杲宸等［4］研究不同土壤条件和地下水埋深对土壤的冻胀；薛珂等［5］、肖旻等［6］从地下水位补给和迁移研究冻胀破坏；姜海波等［7］、刘月等［8］研究水分迁移与相变规律对土体的冻胀；王正中等［9］、唐少容等［10］对弧底梯形渠道和U型渠道的冻胀变形进行研究；张栋等［11］利用保温材料复合衬砌结构研究冻胀；冯有亭等［12］利用膨胀土防渗毯进行渠道防冻胀试验；孙杰等［13］采用模袋混凝土治理渠道冻胀。综上所述，前人在渠道防渗抗冻胀的力学分析，冻胀过程中的水分迁移，保温材料和基土冻胀的水热力耦合等方面进行了系统研究。目前，防冻胀治理形成多样化的发展趋势，出现渠道防冻胀的各种措施。本文在借鉴他人研究的基础上，采用毛细透排水带［14，15］与排水管相结合的排水措施，降低渠道基土中的地下水，并对渠道基土的含水量与渠道混凝土板冻胀量之间的关系进行研究，达到防止渠道冻胀破坏的目的。

1 渠道衬砌混凝土板冰冻破坏的特点

本次改造试验段为固海二干渠（4+400-5+200）深挖方段渠道，该段渠道为东西走向。渠道土体主要为清水河流域内的冲积壤土和黏土层，土层较深，土壤粒径小于0.075 mm 的含量占总土壤的18.59%，小于0.25 mm 的含量占总土壤的41.17%（见表1），具有较高的冻胀性。并且渠道两侧的高地均为农田，季节性灌溉用水补给地下水和受到清水河的影响该段渠道的地下水位较高，渠道冻胀破坏严重。

表1 渠道土壤的颗粒级配 %

1.1 衬砌渠道破坏的特点

原渠道为1∶1.5 边坡的梯形渠道，混凝土预制板衬砌，板缝间采用细石混凝土填缝。渠道长期运行过程中混凝土板受季节性冻胀融沉循环的影响造成破坏。随着渠道运行年限的增长，渠道渗漏量增大，农田灌溉水的下渗，土体中的含水量增大，加剧了衬砌板冻胀破坏的发生。从出现混凝土板间填缝混凝土裂缝到混凝土板的隆起、板间的架空，发展到混凝土板滑塌，最后失去防护作用，都是冻胀破坏的结果。

1.2 衬砌破坏的几种特征

渠道混凝土衬砌板破坏程度随着渠道运行年限的增加越来越严重，在运行过程中混凝土板的破坏大致有以下四种特征。

（1）填缝混凝土开裂。一是渠道土体在负温和正温交替作用下产生冻胀融沉，混凝土板间的填缝混凝土在上抬和回落过程中发生不均匀抬高和沉降产生裂缝，并在冻融循环中裂缝逐渐扩大；另一种是渠道在施工过程中，混凝土板与现浇的填缝细石混凝土间有细小的干缩裂缝，在渠道运行中水分从裂缝进入到混凝土板后，到冬季水分无法及时排出形成冻胀裂缝。

（2）混凝土板隆起架空。随着冻融破坏的逐年增加，混凝土板间的填缝混凝土裂缝扩大，有更多的水和泥沙进入到混凝土板后，基土的含水量增大，在基土冻结后混凝土板不均匀抬高，填缝间的细石混凝土断裂；基土融沉后冻胀量消失，混凝土板由于不均匀沉降不能恢复原位，造成混凝土板之间的架空。

（3）混凝土板位移。随着渠道混凝土板隆起架空的发展，混凝土板后的架空空间完全被水流中的泥沙填满，衬砌的上部混凝土板逐渐脱离下部混凝土板的支撑点；在渠道消融时，由于阳光的照射，混凝土板后的泥土首先消融形成一层泥水润滑层，降低混凝土板与基土间的摩擦力，上层混凝土板在重力作用下逐渐下滑产生位移。

（4）混凝土板滑塌。渠道混凝土板的下滑位移达到一定的程度后，上部的混凝土板完全脱离下部混凝土板的支撑点向下滑动，使上下层混凝土板之间发生错位、下滑、相互叠加等情况。

图1 渠道混凝土板的隆起、架空

2 渠道混凝土衬砌板破坏的原因分析

2.1 衬砌板破坏的原因

图2 渠道混凝土板的滑塌

渠道混凝土板发生冻胀破坏具体表现为以下几点：①基土的土质类型是发生冻胀的主要因素，土质中细小颗粒含量决定着基土冻胀量的大小。②渠道冻结期间，基土内水分在毛细管作用和土壤内温度梯度的共同作用下，水分向冻结深度范围内的锋面上迁移积聚，并在锋面范围内凝结成冰，体积增大使基土产生冻胀。③相同条件下渠道土体的冻胀量远大于混凝土板的冻胀量，基土冻胀体积增大，导致混凝土板被动抬升，底部混凝土板在抬升中受两侧边板的约束产生拉应力；边坡下部衬砌板受到底部衬砌板冻胀的顶托和冻胀力的影响呈现出压应力，边坡上部的混凝土板呈现拉应力，造成底部衬砌板开裂抬升，边坡混凝土衬砌板形成开裂和隆起架空现象。④混凝土板的上抬和位移释放了混凝土板结构上的冻胀力，混凝土板及基土受力状态得到调整，混凝土板与基土之间的冻结遭到破坏，受力状态重新分布达到新的平衡。⑤在行水期间，水分和泥沙从裂缝和架空的混凝土板缝进入板后，逐渐造成混凝土板后的淤积，加剧了混凝土板的隆起、架空、错位直至滑塌失去防护效果。⑥对于深挖方渠道，由于农田灌溉水的下渗并向混凝土板后的土层渗透，再加上渠道的渗漏水，导致渠坡混凝土板下的基土处于饱和状态，加大了渠道的冻胀破坏。

2.2 影响衬砌板破坏的因素

渠道混凝土板破坏与渠道基土的土质、含水量、地下水埋深、地温梯度的变化、冻土深度、渠道衬砌结构形式等有关。

（1）渠道的基土。该段渠道建在清水河的二级阶地上，土壤为清水河的冲积壤土层，中间夹有厚度不等的水平黏土层，土壤冻结期水分迁移剧烈，土壤在冻结中形成的冰晶透镜体较厚。土体呈浅黄褐色，土壤密度为1.71 g/cm3，含水量在21.4%～30.4%之间（9月25日秋灌渠道停水时取样含水量为30.4%，4月8日春灌上水前土壤含水量为21.4%），土体最大干密度为1.87 g/cm3，最优含水率为16.53%。

（2）地下水位。该段的地下水位随季节变化而变化，在灌溉用水高峰期和汛期地下水位明显上升。渠道地下水位受清水河水位和农业灌溉周期变化影响，在每年3-4月份，地下水位的埋深最深为6～9 m，8-11月份因农田灌溉面积大、灌溉较为集中，同时降雨量增加，地下水位的埋深只有2～4 m，高地下水位一直维持到冬灌结束，土壤封冻。

3 渠道衬砌混凝土板破坏的防治

本次试验渠道采用防渗、防冻胀和边坡稳定为主的衬砌形式，通过减少渠道渗漏和降低地下水等措施对渠道冻胀破坏进行防治。

3.1 渠道衬砌断面型式

固海二干渠4+400-5+200 段防冻胀砌护改造，渠道衬砌采用圆弧底梯形复合断面的结构形式，渠道边坡由原来的1∶1.5改为1∶1.75，渠道衬砌结构从下到上依次为4 cm 厚的聚苯乙烯保温板、200 g×0.5 mm/m2（一布一膜）聚乙烯复合土工膜、3 cm厚水泥砂浆保护层、8 cm 厚预制混凝土板，板缝间采用现浇混凝土填缝。

采用圆弧底梯形复合断面的衬砌结构与原梯形断面的混凝土板衬砌结构相比较，有以下几个优点：①弧形渠道的水流条件好，便于渠道输水、输沙；②圆弧底渠道混凝土板受到的法向冻胀力和切向冻结力都比较均匀，因圆弧的受力特点，圆弧段的衬砌板受到的法向力和切向力最终都产生轴向压力向两侧及边坡板传递，使得底部受力和产生的变形都很小，减轻了衬砌板的冻胀破坏；③渠道边坡采用1∶1.75 比原1∶1.5 边坡更利于边坡稳定。

3.2 渠道排水材料的应用

为了有效降低渠道基土中的地下水，采取在渠道边坡中埋设毛细透排水带和渠底埋设排水管相结合的措施排除地下水。毛细透排水带近年来在坝体下游坡面反滤层的排水系统，公路、铁路隧洞外边坡衬砌排水，垃圾填埋场渗滤液导排系统的优化排水和高寒区盐碱地改良排水等方面得到广泛的应用。毛细透排水带是一种软质塑料薄片，厚度约2 mm，宽度在20～30 cm 不等，毛细透排水带塑料薄片的中间开有一排直径约1 mm的圆孔，在塑料薄片的一侧，每个圆孔下方开有约0.3 mm的窄槽与圆孔相连。这种圆孔与窄槽形成吸排水结构具有水的毛细管的毛吸力、虹吸力、表面张力和重力的共同特性，形成了毛细透排水带特有的排水体系。

在渠道边坡上将毛细透排水带开口向下铺设，毛细透排水带中0.3 mm宽的窄槽与土壤接触时，土壤中的水分在毛细管的毛吸力作用下，将水吸入窄槽并进入圆形导流管，水进入窄槽后在水的表面张力作用不能向外流出，在重力作用下沿着圆形的导流管流向渠道底部的排水管；导流槽中的水流向排水管后，滞留在导流槽内的水又形成压差（渠道坡面导流槽上部的水与排水管之间的压力差），排水槽中的水在这种压差和虹吸的作用下，土壤中的水分又被吸入排水带中形成排水循环系统。土壤中的水进入排水带，但土壤颗粒在重力的作用下与水分离，不会进入排水带，因此不会影响渠堤的稳定，且排水带为软质塑料埋入地下不受地形条件的约束。

3.3 毛细透排水带的布置

在渠道4+400-4+900 段的渠坡距保温板30 cm 深的基土中，每隔30 cm 埋设一道宽20 cm 的毛细透排水带，排水带从渠道边坡一直铺设到渠道底部，在底部中心线相应位置铺设DN110PVC 排水管，在排水管侧壁开槽与毛细透排水带一端相连，开槽长度与毛细透排水带的宽度相同，将毛细透排水带伸入PVC 排水管侧壁的槽中，并在排水管上固定。土体中的水分通过毛细透排水带排入排水管，并在渠道外坡的低洼沟道处将排水管引出集中排入排水沟道（型式一）。在渠道4+900-5+200段上部衬砌结构型式与（型式一）相同，不同之处是土体中没有铺设毛细透排水带（型式二）。对两种衬砌型式（型式一设置排水带排出地下水，型式二没有排地下水）的渠道进行观察、对比，以便更好地对渠道冻胀破坏进行预防治理。

3.4 渠道观测设备的布置

（1）气温和地温观测。试验区的气温采用自动测温进行记录。地温的观测采用在渠道边坡和底部埋设地温传感器进行测温，将地温探头分别埋入渠道保温板下基土15、30、60、90、120 cm 的深度处，测量土壤不同深度的地温。由于地温的变化没有气温变化明显，地温每三天在早晨观测一次。渠道改造段埋设的地温观测点布置见图3。

图3 渠道地温测量点位置布置图

（2）土壤含水量和冻深观测。土壤含水量和冻深分别在冻结的3个阶段进行测试，采用钻孔取样法对渠道的阴坡、阳坡和渠底分别取3组土样（直径10 cm，取土深度20～80 cm）。

（3）观测点的布置。在渠道的4+600、4+750、5+100 三个断面布设观测设备对地温进行观测。考虑到渠道冻胀过程的非均匀性，阴、阳坡面冻胀量的差异，在每一断面沿横断面方向设置五个测点，分别设置在两侧坡面坡长1/2 处，圆弧段与坡面的交汇处和底部中点。

4 试验结果分析

4.1 气 温

气温采用试验区气温自动气象站记录的气温数值，气温自2018年11月12日固海灌区的改造段出现负温开始，到2019年3月26日灌区的负温消失结束，总计测温天数为135 d。最低气温在2019年1月15日凌晨，气温为-19.6 ℃；最高气温在2019年3月26日中午，气温为23.6 ℃，在整个观测期内出现负温的天数为88 d。

4.2 渠道地温

对渠道3 个观测断面五个测点不同深度的地温进行观测，地温的最低数值在1月18日测得（各观测点最低地温见表2）；阳面坡地温最后回升的测点2 和阴面坡地温最后回升的测点4，两侧点分别在3月28日和4月6日深度30 cm 处的地温升到0 ℃以上，渠道的冻胀全部消失。

表2 渠道观测断面不同深度的最低地温表 ℃

从地温的观测数值看到，渠道阳坡混凝土板60 cm 以下基土的最低平均地温全部在0 ℃以上，阴坡最低地温相对低一些。地温的高低与灌区气温和渠道阴、阳坡面阳光的照射有关。从观测的日平均气温与地温相比较，地温从长期看受气温变化的影响，但气温与地温的关联度不是很紧密，地温的变化比当地气温的变化迟1～3 d。

按照土壤0 ℃为结冰临界点，根据观测的不同深度的平均最低地温，利用内插法计算土壤结冰临界点的具体深度见表3。

表3 观测渠道断面地温计算各测点的最大冻深 cm

计算得渠道阳面坡的平均冻深为47 cm；阴面坡平均冻深为70 cm，渠底的平均冻深为53 cm。

在1月18日用钻芯取样测得各测点的最大冻深见表4。

表4 渠道钻芯取样测得断面的最大冻深 cm

冻结期的钻芯取样测得渠道阳面坡最大平均冻深为47 cm；阴面坡最大平均冻深为67 cm，渠底最大平均冻深为52 cm。阴面坡和渠底的最大平均冻深比地温观测计算值偏小，是因为土壤地质的差异和在钻芯取样时对冻结的冰晶透镜体产生扰动导致有测量误差，但总体结果和测量地温计算得到的冻深相一致。

4.3 土壤含水量

从冬灌停水到4月上旬，分三次对渠道边坡和渠底的20～50 cm和50～80 cm范围内的基土取样，测量基土中的含水量，钻芯取土样的断面与测温的断面位置相对应，水平距离相距10～20 m 之间且互不影响，按照土样的不同深度测量土壤含水量。第一次在11月29日冬灌结束，渠道水已全部排空还未冻结时取样。第二次在1月18日土壤全部冻结，气温接近全年度最低时取样。第三次在4月6日气温和地温全部回升到0 ℃以上，渠道春灌上水前进行取样。

表5 渠道观测断面含水率 %

4.4 土壤含水量比较

从3 个阶段基土含水量来看，埋设毛细透排水带的断面1和断面2 含水量的平均值与没有埋设排水带的断面3 的平均含水量降低的百分比见表6。

表6 渠道埋设毛细透排水带基土平均含水率降低的百分比 %

从试验段渠道各测点含水率的降低值来看，渠道埋设毛细透排水带的基土和没有埋设毛细透排水带基土中的平均含水量比较，含水量在渠道冻结前、冻结期和全部融化后的最大值分别降低了21.4%、14.7%和27.9%，说明毛细透排水带的埋设能有效降低渠道基土中的含水量。

4.5 渠道冻胀量的观测

（1）在渠道秋季施工时，分别4+500、4+650、4+800、5+000、5+100 段渠道的上板沿、现浇圆弧段与坡面板结合处的板沿和渠底分别设置高程和开口宽度观测标点，每个断面共设置5 个观测标点。采用四等水准闭合测量方法对标点的高程进行测量，用钢尺测量标点渠道开口和圆弧段开口宽度值。

在2018年11月23日冬灌停水后对各个断面设置的观测标点进行校对，确认无误后作为初始点进行控制测量。按照最低气温和时间的不同，分四次对渠道的冻胀量进行测量比较值见表7。

表7 渠道各阶段测量高程数值与原数值比较值 mm

（2）渠道控制点的高程差值，在冬灌停水的冻胀初期（12月20日）埋设毛细透排水带与没有埋设毛细透排水带的平均高程差相差5.9 mm。从1月18日和2月20日的两组测量数据可看出，有排水设施的平均高程差为18.8 mm，无排水设施的渠道平均高程差为31.4 mm，相差12.6 mm。4月6日渠道全部解冻通水前进行测量，没有排水的渠道高差变化比铺设排水带的变化幅度大，说明降低基土中的含水量降低了渠道的冻胀量。

（3）渠道控制点间的距离比较（1 与5 之间是渠道开口之间的距离、2 与4 之间是渠道边坡板的下沿及圆弧段的顶点之间的距离）。

在冬灌停水初期和12月20日实测渠道的开口，不论基土中是否有排水措施，渠道圆弧断面以下的部分和渠道开口之间的变化差值均不大；1月18日和2月20日实测的渠道开口，埋设毛细透排水带的渠道开口与没有埋设毛细透排水带的渠道开口之间最大相差31 mm，平均相差20 mm。说明采用毛细透排水带对控制渠道开口冻胀的内缩有一定作用。

根据实测各测量点垂直方向的最大冻胀量（高差）和开口的水平距离的最大冻胀量的差值，计算渠道混凝土板的法向冻胀量，渠道开口宽度的差值按照阴、阳坡的冻胀深度不同，采用内插法计算阴坡和阳坡的水平冻胀量，由此计算出来的阴坡和阳坡各点的法向冻胀量如表9所示。

表9 渠道观测断面的最大法向冻胀量 mm

渠道阳坡埋设毛细透排水带的平均法向冻胀量比没有埋设毛细透排水带的平均法向冻胀量减少了74%，阴坡的平均法向冻胀量减少了79%，渠底的平均冻胀量减少了50%。利用毛细透排水带排除渠堤基土中的地下水，对预防渠道混凝土板的冻胀破坏效果显著。

5 结 论

本文剖析了宁夏固海季节性输水渠道在冬季停水期间冻胀破坏的原因，通过采用毛细透排水带排出地下水，降低基土含水量试验和观测分析，得出以下结论。

表8 渠道各阶段距离测量数值与原数值比较 mm

（1）通过对渠道基土的地温测量、冻深的测量和推算、含水量的实测和渠道断面冻胀量的观测，提出造成渠道冻胀破坏的关键是渠道基土的含水量大，降低渠道基土中的含水量能有效控制渠道的冻胀破坏。

（2）对于基土冻胀量大的渠道，渠道衬砌板的冻胀随着基土中含水量的增加而增大。采用毛细透排水带排除地下水，含水量在渠道冻结前、冻结期和全部融化后的最大值分别降低了21.4%、14.7%和27.9%，对应渠道的阳坡、阴坡和渠底的最大法向冻胀量分别降低了74%、79%和50%。说明毛细透排水带应用到基土含水量高的渠道对预防冻胀破坏效果显著。

（3）渠道基土中铺设的毛细透排水带由于开口向下铺设，水分和土体颗粒自动分离，渠堤土体排水不会对坡面的基土产生扰动，可保持渠堤的长期稳定。

（4）经过3年的运行，埋设毛细透排水带和排水管的渠道，混凝土衬砌板未出现冻胀破坏的迹象，表明采用毛细透排水带降低基土含水量能有效控制渠道混凝土板的冻胀破坏。