渠道凍脹破壞的原因分析及防治措施

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(1.四川郫縣水務(wù)局，四川 郫縣，611730；2.中國水利水電第七工程局有限公司亭子口施工局，成都，610081)

1 渠道基土凍脹概述

1.1 凍脹土的物理性質(zhì)

凍脹土簡稱凍土，是由固體的礦物顆粒、塑性的冰、液態(tài)的水和氣體組成的四相體系。凍土按凍結(jié)時間可分為多年凍土(凍結(jié)幾年以上)、季節(jié)凍土(1～2個季度)、短暫凍土(幾晝夜)；按凍結(jié)狀態(tài)可分為堅硬凍土(低溫凍土)、塑性凍土(高溫凍土)；按含冰量可分為富冰凍土(體積含冰量大于50%)、含冰凍土(50%～25%)、微合冰凍土(小于25%)。因凍結(jié)時水分遷移的變化，按冰在凍土體中的分布，凍土又可分為整體狀、層狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

1.2 襯砌渠道基土凍脹的基本原理

渠道基土的凍結(jié)過程實質(zhì)上是熱量的傳遞過程，在這個傳熱過程中,包含了熱量傳遞的基本方式——導(dǎo)熱、對流與輻射。

在季節(jié)性凍土地區(qū)，地表一定深度下土體溫度為正溫，并接近于大氣多年平均溫度,隨著冬季大氣氣溫下降出現(xiàn)負溫,地表面放熱超過熱吸收，熱平衡出現(xiàn)負值。一方面，近地冷氣掠過地表，使地表向外散熱，這一熱量傳遞過程為對流換熱；另一方面，地表吸收太陽輻射熱，使地表增溫，由于地表下土層向外放熱，保持動態(tài)熱平衡，于是隨著時間的推移，凍結(jié)從地表開始向下進行，下部土層向上部土層傳遞熱量，這一過程即為導(dǎo)熱。因此，土體的凍結(jié)過程就是在介質(zhì)溫度的影響下，未凍土層向凍結(jié)土層導(dǎo)熱的過程。

在基土凍結(jié)的過程中，凍土內(nèi)部的溫度是不均勻的，即存在溫度場隨時間不同和空間變化而異。

1.3 襯砌渠道基土凍脹的基本特征

1.3.1 凍脹的不均勻性。沿渠道縱向，因為渠線較長，渠道走向變化及水、土條件不同，同一部位不同渠段的凍脹量不同；同一橫斷面，由于接受陽光照射不同，陰坡、陽坡及渠底凍脹量不同，同時坡上部和坡下部凍脹量也不同。

1.3.2 水分具有重要作用。渠道滲漏水是基土水分的主要來源，且入滲水使下部含水量高于上部，特別是渠道通過高地下水位區(qū)時，渠底及坡下部水分遷移強烈，凍脹增強。

1.3.3 凍脹破壞逐年加劇。渠道基土經(jīng)過凍結(jié)和融化之后，空隙率增大，透水性增強，再行凍結(jié)時水分更易流向凍結(jié)層，進一步增加了水分遷移和凍脹作用，使得襯砌渠道凍脹破壞逐年加劇。

1.3.4 渠道襯砌體一般自重很輕，不足以抵抗基土凍脹力。對于有約束力的襯砌體，產(chǎn)生局部開裂；對于無約束力的襯砌體，在凍脹力作用下整體上抬，當(dāng)產(chǎn)生不能允許的變形時，無法復(fù)位而產(chǎn)生滑塌現(xiàn)象。

1.3.5 對于冬季行水的渠道，其冰蓋對水面以上附近的襯砌體產(chǎn)生拉推力，加劇了凍脹破壞程度。

2 渠道凍脹破壞的原因分析

通過國內(nèi)外一些渠道襯砌凍脹破壞調(diào)查與實際觀測分析，襯砌渠道基土凍脹破壞，主要與基土凍脹位移量大小及其不均勻程度、襯砌結(jié)構(gòu)受約束條件、襯砌結(jié)構(gòu)抵抗或適應(yīng)基土凍脹變形的能力等因素有關(guān)，而這些因素又主要與水、土、溫和力等因素有關(guān)。因此可將襯砌渠道產(chǎn)生凍脹破壞的影響因素歸納為以下幾點：

2.1 水的因素

土壤中的水分包括結(jié)合水和自由水，自由水又分為重力水和毛細水，產(chǎn)生凍脹的是自由水，而不是結(jié)合水。土壤的含水量是研究凍土內(nèi)在規(guī)律的重要指標(biāo)，凍土中水分是最活躍的因素，它隨深度的不同和季節(jié)的變化而不斷的改變。從物理學(xué)中可知，液態(tài)純水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下溫度達到0℃時便會凍結(jié)成固態(tài)的冰，體積增大9%左右，密度減小8.3%。土中的原駐水的含水量不大時，土中水結(jié)成冰體積增大，只是降低孔隙率；只有當(dāng)含水量超過一定界限時，產(chǎn)生土體膨脹，土凍結(jié)才能引起地表隆起，這個含水量叫做起始凍脹含水量。

2.2 土質(zhì)因素

土壤有凍脹性土和非凍脹性土之分，一般情況下常土中粒徑小于0.05mm的土粒含量大于總土重的6%稱為凍脹土(如粉砂、壤土、粘土)；反之，當(dāng)土中粒徑小于0.05mm的土粒含量小于等于總土重的6%稱為非凍脹土(如粗砂、中砂、礫砂)。土的凍脹性與土的礦物成分、粒徑大小、干容重、滲透系數(shù)、交換陽離子及含鹽量等諸因素有關(guān)。

2.3 溫度因素

負氣溫對凍脹的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：第一，土的凍深。在其他條件相同的情況下，凍深大的凍脹量也大，凍深小的凍脹量也??；第二，凍結(jié)速度。氣溫劇降，凍結(jié)速度快，凍脹量則小，氣溫緩降，凍結(jié)速度慢，凍脹量則大。

2.4 渠道受力條件

凍土層頂部的膨脹變形如果受到限制，就會產(chǎn)生巨大的壓力，稱為凍脹力。凍脹力的大小受土的分散性、礦物成分、密度、土體水分條件、凍結(jié)條件的影響，且與基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、剛度、材料、表面狀況、荷載等工程條件以及未凍土層的壓縮性有關(guān)。凍脹力方向與冰晶增長方向相同，垂直于凍結(jié)面。習(xí)慣上，把沿基礎(chǔ)側(cè)面作用的凍脹力稱作切向凍脹力；把沿基礎(chǔ)表面(包括底面和側(cè)面)法線方向作用的凍脹力稱作法向凍脹力。土層在切向凍脹力的作用下極易失穩(wěn)，失穩(wěn)的結(jié)果便導(dǎo)致邊坡襯砌板產(chǎn)生隆起架空和坍塌破壞。

3 渠道凍脹破壞的防治措施

綜上所述，渠道的凍脹破壞主要與四個基本因素密切相關(guān)，即水分因素、土質(zhì)因素、氣溫因素、渠道受力條件等。改善其中一個因素，便可收到防治凍脹的效果。由于渠道襯砌厚度較薄，重量較輕，采取抵抗性措施是不經(jīng)濟的，因此必須從以下三方面因地制宜地選用經(jīng)濟合理的一種或多種措施。

3.1 適應(yīng)凍脹

即主要是應(yīng)用渠道建筑材料、斷面結(jié)構(gòu)和襯砌分縫來適應(yīng)凍脹變形，如斷面結(jié)構(gòu)采用弧形、弧形坡腳梯形、整體式混凝土U形槽斷面、矩形斷面擋土墻式等型式。對于剛性材料襯砌渠道，調(diào)整襯砌板縱橫縫的距離、伸縮縫、收縮縫的縫形、縫寬和填充材料，防止襯砌板隆起、裂縫，以適應(yīng)削減凍脹變形。

3.2 回避凍脹

即在渠道襯砌工程的規(guī)劃設(shè)計中，注意避開出現(xiàn)較大凍脹量的自然條件，或者在凍土區(qū)注意避開凍脹對渠道襯砌工程的作用。在選擇渠線時，選擇透水性較強、地下水埋深大、地形較高的地帶，盡可能避開粘土、粉質(zhì)土、淤土、沼澤和高水位地段，并盡可能采用填方渠道。在工程措施設(shè)計時選擇管道、暗涵和采用樁、墩基礎(chǔ)和架空等結(jié)構(gòu)，盡量避開和減少與凍脹土接觸的凍脹影響。

3.3 削減凍脹

即當(dāng)渠道產(chǎn)生的最大凍脹變形量較大，且由于地形、地質(zhì)及渠線布置等原因不能有效回避凍脹的條件下，可采用適當(dāng)?shù)姆椒?，將渠床基土的最大凍脹量削減到襯砌結(jié)構(gòu)允許變位范圍之內(nèi)，以減小凍脹對襯砌結(jié)構(gòu)的破壞作用。削減凍脹可分為置換砂礫墊層、隔熱保溫、壓實干密度、防滲排水等幾項措施。

4 具體防治方案

下面列舉一些通過處理渠基土來防治凍脹的具體方案。

4.1 置換墊層方案

土體的凍脹與其顆粒組成密切相關(guān)，而土顆粒的大小，決定其比表面積大小及與水作用能量的高低，這種差異，決定土體凍脹特性的不同。置換墊層的方案便是利用該原理，在凍結(jié)深度內(nèi)將襯砌板下的凍脹土換成非凍脹性材料，從根本上消除或削減了基土產(chǎn)生凍脹破壞的可能性。該措施可適用各種凍脹強度地區(qū)的凍脹防治。

4.2 隔熱保溫方案

其原理是將隔熱保溫材料鋪設(shè)在襯砌體下部，通過隔絕外界氣溫，保證基土不受負溫的影響，以達到削減凍深和凍脹，并相應(yīng)減小置換深度，割斷下層土的水分補給。這種保溫材料不同于一般的保溫材料，因為它處于極其潮濕的環(huán)境中，甚至是在冰或水中，所以不僅要求保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)很低，而且吸濕性要非常小(最好等于零)；其次還要求保溫材料要有一定的柔性和彈性，因為這種性能不僅便于施工，更重要的是保溫層下的含水基土有可能會因為某些意外原因而發(fā)生—定程度的凍結(jié)，從而產(chǎn)生一定的凍脹量，具有一定柔性和彈性的保溫層則能吸收這部分凍脹量和凍脹力，而不至于影響到剛性面層。

目前采用的保溫材料有爐渣、泡沫水泥、珍珠巖、玻璃纖維、聚苯乙烯泡沫板等。

4.3 壓實干密度方案

其原理就是用壓實和強夯的方法來提高渠床非粉質(zhì)粘性土的干密度，降低孔隙率、減弱透水性，以阻礙水分遷移，從而削減凍脹能力，達到防止凍害的目的。

該法就地取材，成本低，適宜于渠底和填方部分。

4.4 做好接縫止水，修筑截水、排水系統(tǒng)方案

切斷基土水的來源是治理凍脹的根本措施之一，為適應(yīng)溫度變化及不均勻沉陷，混凝土襯砌渠道需設(shè)置伸縮沉陷縫。漿砌石襯砌渠道一般不設(shè)，有時考慮到水文、地質(zhì)條件或其它因素才設(shè)置。

4.5 草皮護面、渠旁植柳方案

可以選用滋生力強、根株密結(jié)的草類作防滲護面材料。

渠旁植柳是根據(jù)柳樹根系發(fā)達，能在渠道混凝土板底下形成須根網(wǎng)狀盤結(jié)，并使布滿須根的基土成為一種非凍脹性纖維土，起到了替換一定厚度凍脹性土的作用。

4.6 防滲材料隔離方案

即以防滲材料作為隔離層，防止渠水滲漏，降低渠床基土含水量，同時也可減少地下水補給量，降低地下水位，從而防止或削弱凍脹破壞。同時在一定程度上可提高地溫，降低凍土層中溫度梯度造成的滲透壓力，提高防凍脹的能力。防滲材料主要有以下幾種：

4.6.1 土料防滲

土料防滲是指用壓實素土、粘砂混合土、灰土、三合土、四合土等土料進行防滲。適用于氣候溫暖地區(qū)的中、小型渠道。防滲效果為(0.07～0.17)m3/(m2d)，使用年限為5～25年。

4.6.2 水泥土防滲

水泥土防滲有壓實干硬性水泥土防滲和澆筑塑性水泥土防滲兩種方法，適用于氣候溫暖地區(qū)，且附近有壤土和砂壤土的渠道。防滲效果為(0.06～0.17)m3/m2d，使用年限8～30年。

4.6.3 膜料防滲

膜料防滲是用塑料薄膜或瀝青玻璃纖維布油氈或復(fù)合類膜料做防滲層，其上設(shè)保護層的防滲方法。膜料防滲性能好，適應(yīng)變形能力強，南北方均可采用，特別是北方凍脹變形較大的地區(qū)效果理想。

4.6.4 混凝土防滲

混凝土襯砌渠道具有防滲抗沖效果好，輸水能力大，經(jīng)久耐用，便于管理等特點，因而適用于各種地形、氣候和運行條件的大、中、小型渠道。

4.6.5 瀝青混凝土防滲

瀝青混凝土襯砌屬于柔性結(jié)構(gòu)，其防滲能力強，適應(yīng)變形性好，造價與混凝土相近，適用于凍害地區(qū)，且附近有瀝青料源的渠道。

4.7 化學(xué)處理方案

采用化學(xué)材料對渠床進行處理，使渠床中土壤水分冰點降低或增加土層的不透水性，阻止水分遷移，從而削減凍脹。

5 結(jié)語

由于渠道凍脹受到多種因素的作用，而這些因素隨不同地區(qū)變化極大，因而不可能有一個適用各種條件的最佳方案，而應(yīng)根據(jù)渠道的氣象、土壤、水文地質(zhì)等不同自然條件選擇防凍脹方案，做到在保證工程安全的前提下，費用最省，國家投資最小。即使對同一渠道工程，由于沿線條件變化很大，也應(yīng)對渠道劃分段落，分別確定其防凍脹方案。

國內(nèi)多數(shù)工程的實踐證明，采取單一措施一般都難以達到防治襯砌工程凍害的目的，要針對產(chǎn)生凍脹的因素，采取有主有次的綜合措施。不但要重視規(guī)劃布置、渠道設(shè)計、排水、保溫、襯砌結(jié)構(gòu)等措施經(jīng)濟合理，而且要重視施工質(zhì)量、管理維修、防治凍害預(yù)案，才能達到滿意的防凍效果。

〔1〕朱 強.襯砌渠道防凍脹設(shè)計中的幾個問題.水利水電技術(shù).1990，(9)：22～27.

〔2〕李安國.渠道防滲工程技術(shù).中國農(nóng)村水利水電，1997，(5)：48～51.