寒冷地區(qū)襯砌渠道凍脹機理及防治措施

石文明，于小威

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局 河南直管建管局，河南 鄭州 450000）

0 引言

渠道襯砌由于多屬剛性材料，具有體輕、抗拉強度較低、適應(yīng)拉伸變形或不均勻沉陷能力較差等特點，其凍害較其他水工建筑物更易發(fā)生，凍害程度也更為嚴(yán)重。因此，渠道襯砌凍害遍及所有寒冷地區(qū)。

我國寒冷地區(qū)主要分布于甘肅，青海，新疆，西藏，四川西部的阿壩、甘孜，云南北部的玉龍雪山和高黎貢山，黑龍江的東北和西北部，內(nèi)蒙古東北部等地。在這些地區(qū)，渠道襯砌工程均存在不同程度的凍脹破壞。許多渠道襯砌工程往往在建成后的第一年冬季就出現(xiàn)凍土上抬、裂縫和嚴(yán)重變形，隨后這些凍害現(xiàn)象逐年加劇，3～5年后，有的渠道即遭完全破壞。有的工程雖未完全損毀，但也需年年維修，花費大量投資和勞力。本文分析了混凝土渠道的凍脹機理，提出了其防治措施，以期能為類似工程提供參考。

1 混凝土渠道的凍脹機理

1．1 渠基土的凍脹因素

土是一種多孔、多相的松散介質(zhì)，其組成物（礦物顆粒、有機質(zhì)、孔隙水和氣）的排列組合一般是無序的。 水的密度為 l t／m3，冰的密度為 0．9 t／m3，當(dāng)土中的水凍結(jié)成冰時，體積要膨脹9%，從而產(chǎn)生凍脹力，排開土顆粒［1］。當(dāng)渠基土中的水凍結(jié)成冰時，會產(chǎn)生膠結(jié)力，該力會使凍土與渠基牢固的膠結(jié)在一起。當(dāng)凍脹力足以使渠道底板產(chǎn)生不允許變形或喪失穩(wěn)定時，渠道就產(chǎn)生了凍脹破壞。

1．2 渠基土的融沉因素

凍土中存在著各種構(gòu)造的冰，這些冰在融化以后體積縮小，使土在自重作用下產(chǎn)生一定量的下沉。冰變成水后，在自重和外荷載作用下沿孔隙排除，從而使土進一步壓縮下沉。渠道邊坡的地基土融化時，當(dāng)其沉降量超過渠道邊坡允許變形量時，渠道邊坡則會產(chǎn)生滑塌破壞。凍土地基融化時，沉降量的大小主要取于建筑物自重大小，凍結(jié)土層的深淺和凍土含水量的多少。

1．3 渠道襯砌材料的凍脹因素

渠道的防滲防凍工程多采用預(yù)制混凝土板或現(xiàn)澆混凝土襯砌，這兩種形式都屬于剛性襯砌?；炷烈r砌凍脹破壞的主要原因主要有兩個方面[2]。一方面是混凝土襯砌板具有板薄、體輕的特點，雖具有一定的抗壓強度，但抗拉及抗彎性能較差，適應(yīng)拉伸變形或不均勻變形的能力弱。另一方面是由于襯砌結(jié)構(gòu)很大，不均勻凍脹變形被渠床凍土所約束，加之襯砌板之間的相互約束，從而使得襯砌結(jié)構(gòu)在較大的法向凍脹力作用下產(chǎn)生較大的彎矩和拉應(yīng)力。當(dāng)這些力超過其極限承載力時，襯砌結(jié)構(gòu)會發(fā)生脹裂等破壞現(xiàn)象。渠道襯砌板的脹裂又容易導(dǎo)致渠道滲漏，并增加基土的含水量，從而必然加劇凍脹破壞的進程。在年復(fù)一年的周期性凍融循環(huán)作用下，基土的凍脹變形逐年積累發(fā)展，使得襯砌體的破壞越來越嚴(yán)重。

1．4 渠道砌體自身因素

渠道工程結(jié)構(gòu)簡單，面積大，線路長，與地基土接觸面積大，應(yīng)力集中點多，所以，易受凍脹破壞。另外，渠道大部分是應(yīng)用當(dāng)?shù)夭牧稀⒂扇罕娦藿ǖ墓こ?，由于建筑材料種類多，施工技術(shù)往往不能滿足抗凍要求，所以，較易受凍脹破壞。

2 渠道凍脹破壞的預(yù)防措施

2．1 新建渠道的科學(xué)規(guī)劃[3~4]

在渠道襯砌的規(guī)劃設(shè)計當(dāng)中，應(yīng)盡量避開可能發(fā)生較大凍脹量的自然條件，或者在較大凍脹量的條件下，避開凍脹量對渠道襯砌的破壞作用。為此，在擬進行襯砌的渠系規(guī)劃中，應(yīng)滿足以下要求。

（1）盡可能避開黏、粉土壤的渠床，選擇不易產(chǎn)生凍脹的沙礫類渠床。

（2）盡可能避開地下水位較高的地段，或?qū)⑶卓刂圃诘叵滤苌仙叨纫陨?，使地下水自地表算起的埋藏深度不小于渠道挖深、土壤毛管水上升高度和凍深的和?/p>

（3）盡可能采用填方渠道，不用或少用挖方渠道。

（4）盡量使渠線處于地勢較高的脊梁地帶，避免渠線兩側(cè)的地面降水或農(nóng)田灌溉水入渠。

（5）在有坡面旁滲水和地面回歸水入渠的渠段，應(yīng)盡量做到渠、路、溝相結(jié)合，或者專設(shè)排水措施。

（6）沿渠道布置林帶，最好是多種植柳樹。因柳樹根絲發(fā)達，密集伸向水源，可以改善渠床土質(zhì)，有利于防止凍害。

2．2 選擇合理的結(jié)構(gòu)形式[5~6]

渠道坡板和底板在坡腳處的相互約束使臨近坡腳處產(chǎn)生較大的凍脹力。該凍脹力分布很不均勻，導(dǎo)致渠坡和渠底很容易發(fā)生凍脹破壞。采用整體 U形混凝土結(jié)構(gòu)、弧形坡腳梯形混凝土結(jié)構(gòu)或是弧形底梯形混凝土結(jié)構(gòu)等都可以改善渠道的斷面形式，特別是改變坡板和底板連接處的形式，可有效改善坡板和底板之間的約束，達到減輕甚至消除凍脹的目的。

U形混凝土襯砌渠道具有剛度大、整體性好，凍脹量分布均勻，承載能力較強等特點，主要用于半徑不大于1 m的小型渠道。在較小的凍脹作用下，U形渠道的變形以垂直整體上抬為主，混凝土裂縫較少，且在地基土融化以后，能夠很快回落，不易造成對襯砌結(jié)構(gòu)的破壞。在寒冷地區(qū)，U型渠道的厚度應(yīng)不小于6 cm。在較溫和地區(qū)，U型渠道的厚度也不應(yīng)小于4 cm?；炷翉姸鹊燃壊粦?yīng)低于C15。為了增加U形斷面上部襯砌的穩(wěn)定性，在圓弧以上直線部分，宜帶有一定邊坡，坡度系數(shù)可取 1∶0．1～1∶0．2。 但是，該形式應(yīng)用于大型渠道工程中時，施工會有一定的難度，工程造價會受到影響。

弧形坡腳梯形混凝土襯砌渠道的底板和邊坡的連接較為平滑，避免了因梯形渠坡腳處約束作用而造成很大的不均勻凍脹變形，因而可以改善襯砌的不均勻凍脹，減少凍脹破壞。

2．3 置換劣質(zhì)基土

渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞主要是由于下部基土在溫降過程中發(fā)生凍脹變形，當(dāng)襯砌體無法適應(yīng)這種不均勻形變時，就會出現(xiàn)隆起、開裂、甚至錯位滑移現(xiàn)象。所以，將凍層內(nèi)凍脹土的一部分或全部置換成非凍脹土，是削減渠道凍脹的有效措施之一。置換比例應(yīng)視渠基土質(zhì)和地下水埋深而定。當(dāng)土質(zhì)為沙壤土、壤土、輕黏土，地下水埋深大于凍深加臨界深度時，應(yīng)置換凍深的40%～70%；地下水埋深小于凍深加土壤臨界深度時，應(yīng)置換凍深的50%～80%，甚至100%。若置換的材料與混凝土不同，應(yīng)再鋪一層防滲膜料。換填風(fēng)積沙，基土凍深隨換填厚度的增加而增大，凍結(jié)基土的含水率隨換填厚度的增加而減小，凍脹量隨換填厚度增加而減小。南北走向的支渠，渠底換填風(fēng)積沙40 cm凍脹量可削減55．5%，換填60 cm，凍脹量可削減74%，且沒有產(chǎn)生凍脹破壞。

2．4 采取保溫措施[7~8]

采用具有良好保溫效果的材料可阻止或削弱渠床土與外界的熱交換，減少基土的溫度下降幅度，從而減少凍結(jié)深度，防止凍脹破壞?；谑褂貌牧系牟煌胤ㄓ址譃樾钏?、珍珠巖保溫和泡沫塑料保溫等。

（1）蓄水保溫。水結(jié)成冰時，釋放出大量潛熱。對于渠道襯砌來說，蓄水保溫可以使水面（冰面）渠床以下的基土溫度大于0℃，保證控制水位以下的襯砌體不出現(xiàn)凍脹破壞，但不能使水位以上的襯砌體免受凍脹作用。因此，渠道襯砌蓄水保溫必須結(jié)合其他相應(yīng)防凍措施一并實施。

（2）珍珠巖保溫。珍珠巖是一種酸性火山玻璃質(zhì)巖石，具有輕質(zhì)、吸音、隔熱、導(dǎo)熱系數(shù)小，適用溫度廣、化學(xué)性能穩(wěn)定、無毒無味等特點，其產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于建筑工業(yè)，以供保溫、隔熱、吸音使用。但是，膨脹珍珠巖及其制品具有很強的吸水性，吸水后，保溫效果大為降低。為使其在襯砌渠道上發(fā)揮出良好的保溫作用，山東省水科所等單位經(jīng)數(shù)年時間成功地研制出憎水珍珠巖板，解決了它的吸水問題，并成功地應(yīng)用于渠道襯砌工程。憎水珍珠巖板單位厚度的保溫能力一般可達0．9℃／cm以上。

（3）聚苯乙烯泡沫板保溫。聚苯乙烯泡沫板是一種保溫性能良好的防凍保溫材料，具有保溫性好、成本低、施工簡單可靠的特點。近年來，國內(nèi)有關(guān)單位亦先后開展了防凍脹的試驗及研究，并在引黃濟青輸水河、北京京密引水渠昆玉段等襯砌工程上大規(guī)模應(yīng)用。研究和應(yīng)用均表明，其隔熱效果良好，單位厚度保溫板的隔熱作用一般可達 1．8～2．0℃／cm。 當(dāng)混凝土襯砌板下鋪設(shè)一定厚度的聚苯乙烯泡沫板后，可有效地削減或消除渠床的凍脹。同時，在外力作用下，泡沫板具有一定的變形性。因此，即使板的隔熱作用沒有完全消除渠床的凍脹，亦可以在一定程度上削減不均勻凍脹對襯砌的作用，有助于防止集中內(nèi)力的產(chǎn)生。在工程實際中，采用混凝土板下鋪設(shè)5 cm厚苯板和30 cm厚沙礫石的復(fù)合結(jié)構(gòu)，防凍脹效果最好，是一種較理想的渠道襯砌結(jié)構(gòu)形式。

2．5 隔水法以及排水法

采用埋藏式隔膜（如塑料薄膜、油氈、人造橡膠膜等）隔斷地下水對凍層的補給，達到減小渠床的凍脹變位。在秋冬季，當(dāng)渠道不行水且襯砌體無滲漏時，隔膜可采用全封閉式；當(dāng)襯砌體有滲漏時，隔膜底部應(yīng)預(yù)留滲水孔，并在隔膜下設(shè)置排水體以使重力水滲入底土層。在地下水位接近渠底或旁邊有滲水入渠時，應(yīng)盡可能采用渠底暗管排水措施。渠底排水設(shè)施一般由墊層和縱、橫向排水管等組成，排水管的大小和數(shù)量視排水量的大小而定。

2．6 化學(xué)固化法

（1）在渠床基土中摻入非親水性的收斂物，使土具有抗水性，從而削弱土的凍脹特性。

（2）在渠床基土中摻鹽，降低土的凍結(jié)溫度，達到減少凍深的方法。該方法由于使用的材料價格較高，且耐久性差，在生產(chǎn)實踐中應(yīng)用不多。

2．7 防止渠道凍脹的管理措施

（1）合理確定每年春季開始灌溉的時間和冬季停止灌溉的時間。冬季停水時間應(yīng)在負(fù)氣溫到來之前，以便土壤有一定的排水時間。對一般土壤，停灌時間應(yīng)比氣溫穩(wěn)定通過零度日提前7～10 d。對親水性強、排水性能差的渠道，停灌的時間應(yīng)適當(dāng)提前。春季開灌時間不能早于氣溫穩(wěn)定通過零度日，如灌溉許可，最好在凍脹變形回復(fù)、裂縫基本閉合后過水。

（2）主干渠道附近的地塊和林帶的冬灌要提前，應(yīng)在進入負(fù)溫以前15 d灌完。

（3）春季灌蓋以前，應(yīng)對對渠道襯砌裂縫及時修補。

3 結(jié)語

在我國寒冷地區(qū)，有許多重要的飲水灌溉渠道由于長期凍融循環(huán)，襯砌結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)、渠道淤積堵塞的現(xiàn)象十分普遍，嚴(yán)重影響了渠道的安全運行，造成極大損失。因此，在渠道工程建設(shè)過程中，或者在已經(jīng)出現(xiàn)凍脹問題的混凝土渠道中，應(yīng)該結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H，采用合理的防治凍脹措施，對混凝土渠道進行建設(shè)和修護。從目前的各種防凍脹襯砌形式來看，還是以整體剛性防滲防凍害措施為主。由于受氣溫、土質(zhì)、當(dāng)?shù)夭牧狭?、渠道走向及大小的不同等多種因素影響，襯砌結(jié)構(gòu)形式會不斷變化，適應(yīng)性較差。剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)具有適應(yīng)凍融變形、脹而不裂和防滲、減輕凍脹的特性，同時能有效解決滲漏利凍脹問題。因此，應(yīng)用高分子材料研制技術(shù)可靠、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟合理的剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)或純?nèi)嵝越Y(jié)構(gòu)作為渠道的襯砌結(jié)構(gòu)是今后我國渠道防滲防凍脹襯砌的發(fā)展方向。

［1］馮有亭．寧夏灌區(qū)渠道襯砌工程防凍脹試驗研究［D］．西安:西安理工大學(xué)，2003:3-6．

［2］王正中．梯形渠道混凝土襯砌凍脹破壞的力學(xué)模型研究［J］．農(nóng)業(yè)工程報，2004:24-29．

［3］ SLl8-2004，渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國水利水電出版社，2004:11-52.

［4］ SL23-91，渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范［S］．北京:中國水利水電出版社，2006:25-32.

［5］余書超，宋玲，歐陽輝，等．防治混凝土渠道凍脹破壞技術(shù)［M］．烏魯木齊:新疆技術(shù)科學(xué)出版社，2004:601-603.

［6］葛樹東．季節(jié)凍土區(qū)渠道防滲結(jié)構(gòu)型式的研究［D］．南京:河海大學(xué)，2004:18-77.

［7］萬里陽．混凝土襯砌渠道凍脹破壞原因分析及防治［J］．河南水利與南水北調(diào)，2010:48-49.

［8］張伯平，牟過斌，閆寧霞．渠道襯砌體凍脹破壞機理與防治對策［J］．水利與建筑工程學(xué)報，2003（1）:10-12.