淺談渠道基土凍漲對預(yù)制混凝土襯砌渠道的影響及防治措施

叢全日

摘 要：黑龍江省是全國氣溫最低的省份。冬季平均氣溫-30.9℃～-14.7℃，極端最低氣溫，北部漠河曾達(dá)到-52.3℃，為全國最低紀(jì)錄。冬季氣溫不僅低而且歷時時間長。渠道基土受凍漲影響非常明顯，預(yù)制混凝土襯砌渠道設(shè)計壽命一般為20～30年，而實際使用壽命遠(yuǎn)低于規(guī)范要求。甚至經(jīng)過一個年度就出現(xiàn)不同程度的凍漲破壞，輕者出現(xiàn)裂縫、鼓脹，重者坍塌滑坡，不能發(fā)揮正常的輸水效益，有的甚至喪失運行價值，不僅直接影響渠道的正常使用，而且增加了修復(fù)次數(shù)和工程費用。并且每年要耗費大量的人力、物力進(jìn)行維護(hù)。如何防治渠道基土凍漲破壞成為一個非常突出的工程問題。

關(guān)鍵詞：凍漲破壞機(jī)理；防治措施；優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式；精細(xì)化設(shè)計

1 渠道基土凍漲破壞的機(jī)理

渠道基土凍漲是隨溫度的變化，有表及里、由淺入深的過程。主要特征為渠基土內(nèi)出現(xiàn)冰晶體，水結(jié)冰時體積膨脹，約增加原水體積的9%，因此出現(xiàn)凍漲。并且土在凍結(jié)的時候不僅原位置的水分凍結(jié)成冰，并且在滲透力（抽吸力、毛細(xì)力）的作用下水分從未凍區(qū)向凍結(jié)鋒面遷移并凍結(jié)成冰，使土的凍漲更加劇烈。由于凍結(jié)時的土中水分重分布的結(jié)果，凍土區(qū)、特別是多年凍土區(qū)渠基土中水分分布是很不均勻的，在富含水帶甚至形成冰層或冰透晶體，使渠基出現(xiàn)嚴(yán)重凍漲。因冰凍而產(chǎn)生的凍漲力頂裂或頂起襯砌板而發(fā)生凍漲破壞。同時因土體處于飽和和過飽和的狀態(tài)，氣溫回升凍土融化后在外荷載或自重作用下發(fā)生沉降喪失其承載力，出現(xiàn)失穩(wěn)塌陷對工程造成嚴(yán)重破壞。

2 預(yù)制混凝土襯砌渠道防治措施

渠道襯砌與混凝土建筑物防治凍漲處理不同，黑龍江省凍土深度在1.8m以上，涵洞、水閘等建筑物可以將基礎(chǔ)埋深至凍土以下來緩解凍漲對建筑物的影響，而渠道襯砌是修筑在渠道基土上的薄壁式輕型結(jié)構(gòu)，在凍漲作用下，各部位受力不均勻，襯砌體適應(yīng)能力不強(qiáng)，也易使砌體破壞，如襯砌板斷裂、坡板滑塌等。

渠基土的凍漲性能主要受土質(zhì)、溫度條件、含水量、干密度等因素影響。另外地下水位的埋深對渠道的凍漲也有重要影響，其埋深越淺則對渠道影響越大。

根據(jù)渠道襯砌的凍漲因素分析，渠道襯砌的凍漲防治應(yīng)從以下幾個方面入手：

2.1 通過換填凍漲性能小的土質(zhì)來減少對渠道的凍漲影響

不同土質(zhì)在凍結(jié)過程中水分的遷移量是不同的，黏性土特別是極細(xì)碎的黏土，僅有輕微的水分和冰晶體析出，具有一定的凍漲性；而粉質(zhì)黏土中水分和冰晶體的析出非常強(qiáng)烈，會產(chǎn)生很強(qiáng)的凍漲變形；而礫石土一般不產(chǎn)生凍漲變形。

不同土質(zhì)的凍漲順序為：粉質(zhì)黏土>壤土>砂壤土>重黏土>砂礫土。

因此在渠道穿越洼地或土質(zhì)為凍漲性較強(qiáng)的粉質(zhì)黏土、壤土?xí)r，可采用無凍漲性或凍漲性較小的砂礫土進(jìn)行換填。換填厚度40cm～60cm凍漲幅度可減少55%～75%，很大程度上緩解凍漲對渠道的影響。

2.2 采取一定的保溫措施來改善渠基土的溫度場，阻斷其與外界的熱量交換

根據(jù)工程所處地區(qū)不同，用導(dǎo)熱系數(shù)低并具備一定強(qiáng)度和耐久度的隔熱材料，鋪設(shè)在襯砌層與渠基土之間，一般渠道可全斷面鋪設(shè)。保溫材料有爐渣、石蠟渣、瀝青草、泡沫水泥、蛭石粉、玻璃纖維、水泥珍珠巖等；對于大型渠道可以采用聚苯乙烯泡沫板，這種材料的物理力學(xué)性能、抗無機(jī)試劑性能、抗有機(jī)試劑性能都比較好。在內(nèi)蒙古研究結(jié)果顯示，平均鋪設(shè)1cm厚保溫板達(dá)到的抗凍效果如下：

隨保溫層厚度的增加，凍深成線性減少，保溫板鋪設(shè)厚度一般在3cm-10cm，可根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)選用。

2.3 設(shè)置排水溝或抬高渠道來減少地下水對渠基的影響

灌區(qū)地下水位一般較高，距離渠基很近，在凍結(jié)過程中地下水源源不斷的向渠道土層凍結(jié)部分轉(zhuǎn)移聚集，造成渠道的凍漲破壞。為了緩解這方面影響，可沿渠道設(shè)置排水溝，以隔斷田間地下水對渠道基礎(chǔ)的補給。也可以視灌溉系統(tǒng)整體情況把渠道修筑到必要的高度以緩解渠側(cè)地下水侵入渠道增大基礎(chǔ)含水量。并且在渠道附近設(shè)置排水溝或填高渠道基礎(chǔ)也可以將渠底水分利用臨空面降低和蒸發(fā)，以降低渠基含水量。

2.4 采用復(fù)合材料設(shè)置隔離層

在剛性襯砌下設(shè)置復(fù)合土工膜等防水材料，不僅可以防止渠水滲漏降低水資源利用率，而且可以因此杜絕滲漏水侵入渠基，降低地下水位，使其含水率維持在較低水平，保證渠基土在冬季來臨時含水率小于起始凍漲含水率，使渠道不發(fā)生或減少凍漲量。并且在冬季渠基土不同程度凍漲變形，甚至開裂。鋪設(shè)復(fù)合土工膜還能有效的防止第一期供水時渠基土開裂部位未完全恢復(fù)原狀造成的滲漏、潰渠。

2.5 嚴(yán)格控制渠基土料含水率和壓實干密度

根據(jù)黑龍江水科所的試驗，土的凍漲性與干密度有關(guān)，當(dāng)土的飽和度一定時，土的凍漲性隨干密度增加而下降。因此在渠基土施工時，必須控制土料的含水率在最佳含水率范圍內(nèi)，根據(jù)試驗得到的最大干密度和設(shè)計壓實度控制施工時的壓實干密度。渠基土密實不僅可以降低凍漲對渠道襯砌的影響，還可以降低渠道線路的不均勻沉降，保證供水時達(dá)到設(shè)計供水位，確保供水效果。甘肅省水科所采用此法加固靖遠(yuǎn)三場電灌干渠的一段，取得較好的防濕陷和防凍漲效果。

2.6 優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)形式

由于渠道襯砌結(jié)構(gòu)形式在凍漲時受力不均，對渠道的影響不同。因此在設(shè)計渠道時采用合理的襯砌形式，可以有效的削減、適應(yīng)或回避凍漲。根據(jù)水利部凍土工程國家重點實驗室的研究結(jié)果，弧底梯形襯砌、弧形坡腳梯形襯砌和小型U形襯砌是比較好的抗凍脹襯砌形式。如考慮現(xiàn)場實際條件制約，對于底寬1.0m～2.0m可增加渠底混凝土厚度，例如邊坡標(biāo)準(zhǔn)板塊形式為50cm×50cm×8cm，渠底可采用50cm×50cm×（12～15）cm。以緩解渠底中間由于凍漲原因造成鼓起，兩塊底板無法相互支撐，造成滑坡失穩(wěn)。對于渠道底寬為2.0m以上的，坡腳處可采用深度0.5m，寬度0.3m的連續(xù)齒墻形式，利用齒墻承受邊坡混凝土由于自重引起的沿坡面下滑的力。能有效的緩解由于渠底凍漲變形而造成邊坡失穩(wěn)。齊齊哈爾市富?？h塔哈渠道水利工程底寬為10m，就采用齒墻式結(jié)構(gòu)。有效的緩解了邊坡對底板的擠壓，運行效果良好。

2.7 提高投資比重和精細(xì)化設(shè)計

渠道設(shè)計前期應(yīng)著重了解項目區(qū)的氣候和自然條件，不應(yīng)僅考慮灌溉面積、流速、比降、結(jié)構(gòu)尺寸等基本項目，抗凍要求也僅涉及混凝土。還需要考慮來自于渠基土凍漲對于渠系的影響。應(yīng)根據(jù)項目的不同確定渠道受凍漲影響較大的因素，用以確定何種方式來減少和緩解凍漲影響。提出適合當(dāng)?shù)貤l件的結(jié)構(gòu)形式。雖然一次性投資增加，但是減少后期運行過程中大量的維修成本。從全壽命周期成本來看，采用合理的預(yù)防措施要比每年大量維護(hù)、返修成本少的多。

2.8 加強(qiáng)渠道的運行管理

由于冬灌對襯砌渠道的損害相當(dāng)嚴(yán)重，冬灌停水越遲，凍害越嚴(yán)重，因此最后在基土凍結(jié)前適當(dāng)安排冬灌時間必須冬灌的渠道，在負(fù)溫下應(yīng)連續(xù)供水，并保持在最低設(shè)計水位以上運行。每年及時對襯砌渠道的裂縫進(jìn)行修補，保持封頂完好，不允許有外水滲入渠道砌體背后。保證各種排水系統(tǒng)暢通，每年渠道運行灌水結(jié)束后，及時排凈渠道內(nèi)積水，減少渠道內(nèi)由于積水對于底板凍漲影響。另外可以在渠道附近植樹，應(yīng)用生物排水，植樹位置不宜距離渠道過近，且不適宜種植楊樹以免根系對渠道造成破壞，可種植低矮灌木或柳樹每年進(jìn)行收割，即起到了排水、穩(wěn)固邊坡的效果，也綠化了環(huán)境增加經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)束語

渠道凍漲破壞是影響襯砌防滲效果和渠系工程發(fā)揮效益的主要原因之一，只有從規(guī)劃、設(shè)計、施工和運行管理等各方面入手，采取綜合防治措施，才能有效的削減、消除和回避凍漲，節(jié)省人力物力，節(jié)約水資源，充分發(fā)揮工程效益。

參考文獻(xiàn)

[1]陳肖柏.凍土力學(xué)與地基基礎(chǔ).中國科學(xué)院冰川凍土研究所.