淺析混凝土襯砌渠道的凍脹破壞成因及對策

李麗萍 王虹妮

（1.寶雞市地下水管理監(jiān)測處，陜西 寶雞 721001；2.寶雞市石頭河引水工程建設(shè)處，陜西寶雞 721004）

寶雞市位于陜西省關(guān)中西部， 境內(nèi)有寶雞峽引渭灌區(qū)及馮家山水庫、 石頭河水庫灌區(qū)3 個大型灌區(qū)， 共有設(shè)施面積14.062 萬hm2，有效灌溉面積13.177hm2。同時馮家山水庫、石頭河水庫兼有城市供水及工業(yè)供水的任務(wù)。

中央一號文件中，關(guān)于加強(qiáng)農(nóng)田水利工程（渠道襯砌約占85%的投資）的建設(shè)，對寶雞市灌區(qū)建設(shè)和糧食安全及經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的社會經(jīng)濟(jì)效益及現(xiàn)實意義。 但在農(nóng)田灌溉供水中，多數(shù)用明渠引水，為減少渠道的滲漏損失，增加過水能力，通常對渠道采用混凝土襯砌。 寶雞峽引渭灌區(qū)及馮家山水庫、石頭河水庫灌區(qū)屬于典型的北方旱寒灌區(qū)， 自然條件惡劣，干旱缺水，季節(jié)性凍土分布廣泛，灌排渠道凍脹破壞非常嚴(yán)重，影響了渠道的輸水性能。 探討解決灌區(qū)內(nèi)襯砌渠道凍脹破壞的問題，不僅對農(nóng)業(yè)灌溉，農(nóng)村用水等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活有著重大影響，而且可以最大限度減少水資源損失及浪費(fèi)，提高工程效益及管理水平。

1 灌區(qū)混凝土襯砌渠道凍脹破壞的原因

造成混凝土襯砌渠道凍脹的主要因素是水在溫度的變化的情況下對混凝土襯砌板本身及基土反復(fù)凍脹與融化而造成的。 混凝土是由膠凝材料（水泥）、水、細(xì)骨料（砂）、粗骨料（石子）等材料按適當(dāng)?shù)谋壤?jīng)過拌制而成的拌合物。水在0℃以下結(jié)冰成固態(tài)，體積就會發(fā)生膨脹，溫度越低，體積膨脹程度越大，經(jīng)過冬季反復(fù)凍脹與融化，最終造成混凝土的凍脹破壞。 產(chǎn)生混凝土襯砌渠道凍脹破壞的原因有以下幾個方面：（1） 土體的多孔松散性為土體內(nèi)水分的存在創(chuàng)造了存在和遷移空間；（2）渠道輸水滲漏增大土體中的水的含量，甚至使土體水分飽和，為結(jié)冰造成了條件；（3）冬季低溫，使凍土層和未凍層(包括地下水)水分遷移，冰層形成與發(fā)育而引起土體發(fā)生凍脹現(xiàn)象。

2 渠道混凝土襯砌凍脹破壞的形式

當(dāng)凍脹力超過一定的限度，達(dá)到了防護(hù)材料（混凝土襯砌板）的許用極限時，將會造成渠道防護(hù)層的發(fā)生鼓脹、裂縫（現(xiàn)澆混凝土板）、錯位（預(yù)制安砌）、表面脫落等破壞現(xiàn)象。 通過大量的調(diào)查和試驗，渠道的破壞形式主要有以下幾種情況。

2.1 表面脫落

混凝土內(nèi)部孔隙（主要是混凝土振搗不密實，從而形成孔隙）內(nèi)含有一定水分，在溫度下降到0℃以下結(jié)下凍結(jié)成冰，體積增大，產(chǎn)生向外的作用力，當(dāng)作用力大于混凝土強(qiáng)度時，就會在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，從而增大混凝土孔隙吸水量，便會產(chǎn)生更大的作用力，經(jīng)過多個凍融循環(huán)變化，混凝土內(nèi)部的因冰水反復(fù)變化，其內(nèi)部作用力也在反復(fù)變化，混凝土表面砂漿面層因作用力長時間的變化就會發(fā)生脫落。 這種現(xiàn)象主要發(fā)生在振搗不密實的混凝土表面。

2.2 鼓脹及裂縫

混凝土襯砌板承受著水的重力、水流的沖刷力、溫度變化所發(fā)生的溫度應(yīng)力、凍土的膨脹力、凍脹力以及混凝土板本身收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力等多種內(nèi)外力的作用，當(dāng)這些應(yīng)力值大于混凝土板自身強(qiáng)度的極限應(yīng)力值時，就會發(fā)生破壞變形。 這種變形主要表現(xiàn)為混凝土襯砌板的鼓脹與裂縫，發(fā)生部位多數(shù)在尺寸較大的混凝土板順?biāo)鞣较颍?渠道坡板坡腳以上1/4～2/3 范圍內(nèi)和底板中部。

2.3 鼓起、架空

對于地下水位埋藏較淺的渠道， 由于渠底距地下水比較近，容易發(fā)生凍脹破壞，且凍脹量比渠頂凍脹量小，則容易造成混凝土襯砌大幅度鼓起、架空。 這些現(xiàn)象一般發(fā)生在坡腳或水面以上坡面處和渠底中部等部位。

2.4 滑塌

渠道襯砌的凍融滑塌產(chǎn)生的原因主要有兩點(diǎn)： 一是由于渠道發(fā)生鼓起與架空形象， 混凝土襯砌板支承結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，受到破壞， 襯砌板失去穩(wěn)定平衡， 上部板塊順坡向下滑移、錯位，互相穿插；二是渠道邊坡土體在凍融變化期及暴雨發(fā)生是的產(chǎn)生大面積滑坡，渠堤滑塌，導(dǎo)致渠坡腳處混凝土板被推開，上部襯砌板塌落下滑。

2.5 整體上抬

對于渠深在1m 左右弱凍脹地區(qū)和襯砌整體性較好的渠道(如U 形渠道)，基土的凍脹不均勻性較小，在凍脹力的作用下，渠道可能發(fā)生整體上抬。

3 減輕或消除混凝土襯砌渠道凍脹破壞的措施

造成混凝土襯砌渠道凍脹的主要因素是水、 溫度和凍脹土。 渠道是否產(chǎn)生凍脹破壞，其破壞程度如何，主要取決于渠床的土質(zhì)條件、土體含水量、溫度條件及工程結(jié)構(gòu)型式等因素。 自20 世紀(jì)70 年代以來，我國混凝土渠道工程抗凍脹技術(shù)的發(fā)展，始終與防滲技術(shù)緊密結(jié)合，“允許有一定凍脹位移量”的工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和“回避、適應(yīng)、削減或消除凍脹”的設(shè)計原則，根據(jù)凍害成因分析并結(jié)合工程具體條件，可以從改善渠基土質(zhì)、改善水分條件、改善溫度條件等幾個方面來減輕或消除混凝土襯砌渠道凍脹破壞。

3.1 改善土質(zhì)條件

土的凍脹特性取決于土粒的分散性及組成成分等。 土料顆粒粒徑越小，其分散性就越大，凍脹性也隨之增大。 在自然條件下，土壤的凍脹量大小順序如下：粉質(zhì)粘土＞壤土＞砂壤土＞重粘土＞砂土＞砂礫。

3.1.1 基土置換法

基土置換法是指在凍土層范圍內(nèi)將凍脹性基土換成非凍脹性材料以降低渠道基土凍脹的措施。 置換材料與原狀土之間設(shè)置反濾層或用土工織物隔離， 同時在置換層設(shè)置排水措施。置換深度可按如下公式計算得出：

式中：Hn為置換深度，cm；Zd為設(shè)計凍深，cm；δc為襯砌板厚，cm；ε 為置換比。

3.1.2 強(qiáng)夯增重法

強(qiáng)夯壓實可以降低土體孔隙率，增大土體重量與干密度，減小基土的透水性，高密度的土體可以有效地阻礙水分移動與聚結(jié)。 在施工時參照土壩碾壓施工規(guī)范要求，進(jìn)行分層夯打碾壓，使干密度達(dá)到1650～1700kg/m3，將強(qiáng)變成弱凍脹土，凍脹土變?yōu)榉莾雒浲?，從而減輕乃至消除基土土體凍脹。 甘肅省曾在1985 年對靖遠(yuǎn)三場塬電灌干渠進(jìn)行強(qiáng)夯壓實， 干密度在錘下2m 范圍內(nèi)達(dá)到1.6～1.8kg/m3，取得了較好的抗凍脹效果[1]。

3.1.3 土體加筋法

在基土回填施工過程中，往土體內(nèi)布設(shè)加筋帶、土工格柵等材料，從而改善土體的抗拉、抗剪強(qiáng)度，增加基土的整體穩(wěn)定性。 當(dāng)基土發(fā)生凍脹時，加筋帶及土工格柵燈材料將發(fā)生拉伸變形，從而減少了基土凍脹變形，抑制基土水分遷移。 同時這些筋料材料可使凍脹土向非凍土區(qū)發(fā)展，而下減小基土凍脹量[2]。

3.2 改善溫度條件

介質(zhì)溫度愈低，土中水分變成冰愈多，凍脹則愈強(qiáng)。 長期的低溫作用， 使表層土體與深層土體冷暖面溫差越來越大，凍結(jié)緣不斷將未凍土層水分遷移到凍結(jié)區(qū)， 使凍結(jié)層越來越厚，地下水位埋藏較淺的區(qū)域這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。 在渠道施工時，預(yù)先在混凝土襯砌板下面鋪設(shè)隔熱保溫材料，消除外界氣溫變化對土體溫度的直接作用， 以效減輕或消除溫度對基土的影響，從而減輕或消除基土凍脹。

3.3 改善水分條件

3.3.1 排水措施

排水措施主要有渠底埋設(shè)排水暗管、 渠坡砂礫石反濾層內(nèi)埋設(shè)排水暗管、渠堤外側(cè)埋設(shè)排水暗管等措施，以此來降低基土壤含水率。

3.3.2 隔水措施

采用塑料薄膜、彩條布、油氈、膨潤土防水毯、復(fù)合土工膜等，設(shè)置隔水層，隔斷渠道滲水、大氣降水和地下水等對凍結(jié)層的補(bǔ)給，從而減輕或消除凍脹。

3.4 采用合理斷面形式

將混凝土襯砌渠道斷面設(shè)計成“U”型、弧形或弧底梯形，其的結(jié)構(gòu)計算簡圖是一個兩端彈性支座的無鉸拱。 當(dāng)受到渠道基土凍脹力作用時， 弧形段的剛性防滲層內(nèi)部受的是壓應(yīng)力，不易開裂。 “U”型、弧形或弧底梯形渠道近年來發(fā)展很快，具有輸水條件好，占地少，挾沙能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且在凍脹變形中變形均勻，產(chǎn)生裂縫較少，目前各灌區(qū)都在推廣這幾種斷面形式。

3.5 合理運(yùn)行

盡量不在寒冬季節(jié)進(jìn)行渠道輸水，確實需要在低溫期（0℃以下）進(jìn)行輸水，就必須是連續(xù)輸水，并保持在最低設(shè)計水位以上運(yùn)行。 絕對不能是放放停停、斷斷續(xù)續(xù)的輸水。 在渠道管理中，及時發(fā)現(xiàn)修補(bǔ)損壞的渠道混凝土，保持其防滲層完整無破漏，外界水不能滲入砌體背后，另外還要保證各種排水設(shè)施暢通。

4 結(jié)束語

凍脹是造成混凝土襯砌渠道破壞的主要原因， 防止渠道襯砌凍脹破壞，保護(hù)工程設(shè)施完整，充分發(fā)揮工程效益是一項長期的任務(wù)。 在凍脹防治過程中，只有從設(shè)計、施工、運(yùn)行、管理維修等全方面考慮，綜合運(yùn)用各種措施努力減輕或消除襯砌渠道凍脹的危害，才能使防滲渠發(fā)揮最大的效益。

[1]朱強(qiáng).我國渠道凍脹防治綜述[J].防滲技術(shù)，1996，2(2)：7-17

[2]何光春，周世良.加筋土技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2001，23(5)：11-15