汾陽市末級渠道抗凍脹處理措施探討

石炎河

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

汾陽市位于山西省中部，境內(nèi)有文峪河、汾河兩個(gè)大型灌區(qū)和峪道河、向陽河兩個(gè)中型灌區(qū)，灌區(qū)均建設(shè)于20世紀(jì)50年代，因年久失修而不能充分發(fā)揮灌區(qū)的工程效益，近年來隨著大中型灌區(qū)的節(jié)水工程改造，4個(gè)大中型灌區(qū)的骨干渠系進(jìn)行了不同層次的渠道改造，提高了輸水能力，但是由于灌區(qū)末級渠系自建成以來一直未進(jìn)行改造，不能充分發(fā)揮農(nóng)田灌溉的效益，灌區(qū)末級渠系改造勢在必行。

1 渠道襯砌體的破壞特征

土體含有水分，且溫度低于零度以下，土體會出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。當(dāng)渠道的襯砌體不能抵抗土體的凍脹力時(shí)，渠道襯砌體會在凍脹力的作用下產(chǎn)生裂縫、剝蝕隆起、錯(cuò)落下滑等現(xiàn)象。由于汾陽市末級渠系工程襯砌結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆和預(yù)制混凝土板，這種結(jié)構(gòu)型式抵抗土體凍脹力較差，易發(fā)生襯砌體凍脹破壞，本工程主要破壞特征如下。

1.1 裂縫

現(xiàn)澆混凝土防滲渠道凍脹裂縫大部分出現(xiàn)在平行水流方向，根據(jù)現(xiàn)場查勘，春澆渠道襯砌體的凍脹裂縫位于邊坡的較下側(cè)，渠底有混凝土剝蝕現(xiàn)象，冬澆渠道襯砌體的凍脹裂縫位于設(shè)計(jì)水位邊坡附近。凍脹力較大預(yù)制混凝土塊不能抵抗凍脹變形，大部分裂縫位于預(yù)制塊間縫隙處，年復(fù)一年的凍脹變形，會促使凍脹量不斷的積累，襯砌體的裂縫會出現(xiàn)渠道滲水，進(jìn)一步加大渠道兩側(cè)土體的含水量，會更增加土體凍脹變形量，渠道破壞更加嚴(yán)重。

1.2 剝蝕隆起

在渠道位于挖方段，且地下水位較高，渠道在冬澆后，渠道內(nèi)的積水不能及時(shí)排出，渠道內(nèi)少量的積水會保持一個(gè)冬季，導(dǎo)致渠底混凝土襯砌出現(xiàn)表層剝蝕現(xiàn)象，渠道兩側(cè)邊坡坡腳處會出現(xiàn)臺階狀隆起。

1.3 錯(cuò)落下滑

渠道初期的凍脹變形較小時(shí)首先出現(xiàn)裂縫，隨著時(shí)間的推移，凍脹變形量在不斷加大，襯砌體下側(cè)會出現(xiàn)較大空隙，渠道再次過水時(shí)，水流會淘空襯砌體下的土體，更進(jìn)一步加大變形量，當(dāng)變形量足夠大時(shí)，會使預(yù)制混凝土塊錯(cuò)落下滑，致使襯砌體嚴(yán)重破壞，影響渠道正常輸水。

2 影響土凍脹的主要因素

影響土凍脹的主要因素有土質(zhì)、含水量、溫度和壓力。如經(jīng)過采取措施后能控制影響土凍脹的主要因素之一，就能減少凍脹量，使襯砌后的渠道更好地發(fā)揮農(nóng)田灌溉效益。

2.1 土的礦物質(zhì)成分、顆粒和密度

實(shí)驗(yàn)表明，土顆粒粒徑大于0.1mm的飽和粗粒土中，在其凍結(jié)過程中不存在未凍土中的液相水向凍結(jié)鋒面遷徙，大部分情況下出現(xiàn)向下排水現(xiàn)象，這種土屬于弱凍脹性，可用來換填細(xì)顆粒土以防止土體凍脹。隨著土顆粒粒徑的減小，土的凍脹性增強(qiáng)。顆粒為0.05～0.005mm的土具有較大的凍脹量。當(dāng)粒徑更小，達(dá)0.002mm后，凍結(jié)期間水分遷移量減少，凍脹性減弱，這是由于黏土膠粒存在，使土中水的活動性減弱。

土的密度對凍脹也有一定影響。黏性土凍脹最大時(shí)的密度γc一般為（0.8～0.9）γ0（γ0為標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)時(shí)的最大密度）。如果土的密度達(dá)到γc并繼續(xù)壓實(shí)，凍脹量將隨土壤水分遷移量的減少而減小。

2.2 含水量

土體凍結(jié)前其本身的含水量決定著土體的凍脹與否。只有當(dāng)土中水分超過一定的界限值，才能產(chǎn)生凍脹，這個(gè)界限含水量一般稱之為起始凍脹含水量。

國內(nèi)外的研究將地下水埋深大小視為凍脹性的重要指標(biāo)，除地下水位外，降雨和各種排水工程及人工灌溉可以使基土含水率加大，還可形成凍結(jié)過程中的外來水源。

2.3 溫度

溫度條件包括外界負(fù)氣溫、土溫、土中的溫度梯度和凍結(jié)速度等。對于處于封閉系統(tǒng)條件下的粘性土，自土體凍結(jié)溫度至－3℃左右，土體凍脹量約占最大凍脹量的70%～80%，對于中粗砂，0～－1℃為凍脹劇烈階段。

2.4 外部荷載

實(shí)際工程中，為防止地基土凍脹所需的外部荷載很大，因而單純依靠外荷載抑制凍脹是不現(xiàn)實(shí)的。

3 抗凍脹措施比選

采用抗凍脹結(jié)構(gòu)和措施，應(yīng)從適應(yīng)、回避和消除凍脹等方面考慮，采取單一或綜合結(jié)構(gòu)措施，使渠道襯砌的凍脹位移滿足抗凍脹要求。

目前采用抗凍脹的結(jié)構(gòu)和措施的形式較多，主要有：架空梁板或預(yù)制空心板式結(jié)構(gòu)、契形板和肋梁板結(jié)構(gòu)、U形渠道、弧形底渠道、渠床換基處理、排水措施、保溫措施、隔水措施及渠床土壓實(shí)措施等。采用渠床換基處理需要破壞現(xiàn)有渠堤，費(fèi)用較高；本工程渠道主要為挖方渠道段，地勢較平，采用排水措施較難。結(jié)合灌區(qū)的地形地質(zhì)條件和施工難易程度，并參照已有工程的實(shí)際和使用情況，部分渠道段采用保溫措施，預(yù)制混凝土板下鋪設(shè)聚苯板。

4 凍脹破壞處理設(shè)計(jì)

渠道凍脹破壞處理設(shè)計(jì)采用保溫措施，在襯砌體下鋪設(shè)保溫墊層材料，以提高地溫、消除或消減凍脹。保溫材料采用聚苯板，保溫板厚度采用《山西省渠道防滲工程技術(shù)手冊》中有關(guān)公式計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：Hb——保溫層厚度，m；

Hd——設(shè)計(jì)凍深，取0.87m；

Hc——混凝土襯砌厚度，取0.06m；

λb——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，取0.136W/（m·℃）；

λf——凍土導(dǎo)熱系數(shù)，取1.87W/（m·℃）；

λc——混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，取2.33W/（m·℃）。

經(jīng)計(jì)算保溫材料厚度為6.0cm。根據(jù)與本灌區(qū)相鄰的山西省瀟河灌區(qū)的實(shí)際觀測資料，采用預(yù)制混凝土塊下鋪設(shè)5cm厚聚苯保溫板，可比預(yù)制混凝土襯砌提高地溫8.6℃，減小凍深73.4%～85%，減小凍脹量96%。本工程采用保溫板和預(yù)制混凝土塊的抗凍脹措施后，能完全滿足渠道的抗凍脹要求。