寒冷地區(qū)渠道防滲工程的凍脹現(xiàn)象與防治措施

□馬豪豪（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局）

寒冷地區(qū)渠道防滲工程的凍脹現(xiàn)象與防治措施

□馬豪豪（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局）

在我國北方寒冷地區(qū)，渠道工程由于存在滲漏問題很容易造成凍脹現(xiàn)象，使渠道進(jìn)一步受到破壞并失去流水運(yùn)輸能力。文章主要從渠道防滲工程凍脹類型及破壞特征入題，探討渠道基土土體的凍脹破壞機(jī)理及受力分析，并給出相應(yīng)的凍脹現(xiàn)象有效防治方案。

渠道防滲工程；凍脹現(xiàn)象；機(jī)理；受力分析；寒冷地區(qū)；防治方案

0 前言

渠道防滲工程的凍脹現(xiàn)象一般出現(xiàn)于渠道襯砌體位置，它的表現(xiàn)形式就是渠道基土凍脹并引發(fā)襯砌板錯位、隆起和滑移等現(xiàn)象，造成渠道伸縮縫、襯砌體的破壞開裂，最終使渠道喪失防滲功能。按照寒冷地區(qū)冬季溫度的變化，凍脹破壞作用方式可以大體分為兩類，即由渠道基土所引發(fā)的凍脹破壞現(xiàn)象以及由渠道內(nèi)水體結(jié)冰而造成的凍脹破壞現(xiàn)象。

1 寒冷地區(qū)渠道防滲工程的凍脹現(xiàn)象分析

在我國北方，寒冷季節(jié)的低溫常常會引發(fā)季節(jié)性凍土地區(qū)的形成，它們給當(dāng)?shù)氐那缼砺闊?，直接造成渠道凍脹破壞問題，影響渠道防滲功能。一般來說，渠道的凍脹破壞會隨著溫度波動而產(chǎn)生浮動變化，它是一個由表及里、循序漸進(jìn)的過程，而它所造成的破壞因素也會體現(xiàn)在多個方面。

1.1 渠道基土的凍脹機(jī)理

北方寒冷地區(qū)每年有近1/3時間處于氣溫長期偏低狀態(tài)，所以渠道基土一定會發(fā)生體積膨脹。究其原因，就是因為在水分補(bǔ)給暢通的渠道下，土體會由于存在大量的毛細(xì)水和自由水而發(fā)生受凍膨脹現(xiàn)象，如果此時渠道基土的含水量沒有達(dá)到起始凍脹含水量，那么土體中的未凍水與冰就會融化并被渠道基土顆粒所承載并發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象。在進(jìn)入寒冷地區(qū)的深冬季節(jié)以后，負(fù)溫度環(huán)境影響越來越大，基土中所承載水分就會逐漸凍結(jié)，形成冰晶體并出現(xiàn)于土層及襯砌體接觸面的空隙之間，而此時基土土體更深層次的水分也會受到毛細(xì)管作用而像冰晶體位置前移，使基土土體中的冰晶體體積呈現(xiàn)逐漸增大趨勢。隨著基土中冰結(jié)晶體體積的增大，所形成的水層也會不斷擠壓下方未凍結(jié)土層，最后導(dǎo)致整個渠道渠床表面的隆起和凍脹現(xiàn)象，最終破壞原有渠道基土土體結(jié)構(gòu)，形成標(biāo)準(zhǔn)凍土層。外界氣溫下降越多，基土水分遷移越快，凍土層也會隨著冰晶體體積的增大而逐漸加深增厚。

1.2 渠道凍脹的破壞機(jī)理

渠道凍脹一定會造成基土體積膨脹，它也是導(dǎo)致渠道邊坡被凍脹破壞的主要誘因之一。當(dāng)土體的凍脹量越來越大時，凍脹就會變得越來越不均勻，其作用在襯砌體上的作用力也會越來越大。如果渠道襯砌體嚴(yán)重約束渠道基土土體并使其發(fā)生凍脹變形，就會引發(fā)凍脹力，一旦凍脹力超過渠道襯砌體的最大約束力極限值時，襯砌體就會被破壞?？紤]到渠道渠床中的土質(zhì)、溫度與水分都是不均勻分布的，所以渠道渠床也會產(chǎn)生不均勻凍脹效果，導(dǎo)致渠道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)接縫及襯砌結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象。當(dāng)凍脹程度越來越大時，渠道襯砌結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生嚴(yán)重錯位變形現(xiàn)象，完全破壞渠道及其基土土體結(jié)構(gòu)。

1.3 渠道凍脹受力

在冬季凍土地區(qū)，渠道的襯砌要承受多種荷載，其中主要包括自重荷載與凍脹力荷載。其中凍脹力荷載就包括了單位切向凍脹力、豎向凍脹力以及水平凍脹力3種。就目前我國渠道防滲工程發(fā)展?fàn)顩r來看，渠道襯砌多采用的是剛性襯砌，它的結(jié)構(gòu)為混凝土與漿砌石材料，是典型的剛性結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)雖然堅固但很難適應(yīng)冬季高寒低溫所造成的不均勻凍脹現(xiàn)象，極易產(chǎn)生渠道襯砌變形。通常情況下，北方季節(jié)性凍土地區(qū)輸配水渠道防護(hù)體多采用的是貼坡式渠土護(hù)面結(jié)構(gòu)，而并非標(biāo)準(zhǔn)承重結(jié)構(gòu)，所以一旦渠道護(hù)坡變形就會產(chǎn)生約束作用，所以如果從凍脹受力的角度分析，渠道襯砌體是很容易由于低溫而造成受力破裂的。

再一方面，北方寒冷地區(qū)在冬季由于其渠道多半不行水，所以渠道凍脹破壞現(xiàn)象一般發(fā)生于渠底及坡腳位置，這里的凍脹量普遍會大于渠頂上部位置，而且一般呈現(xiàn)向上凸起型結(jié)構(gòu)。當(dāng)凍脹變形量達(dá)到最大點時，渠道襯砌板就會發(fā)生斷裂，具體情況如圖1所示。

圖1 渠道襯砌板的凍脹破壞現(xiàn)象示意圖

如圖1，當(dāng)坡腳B、C兩點發(fā)生渠道襯砌體凍脹變形，它們的變形方向必然是垂直向上的。按照凍土力學(xué)來講，渠道土體的凍脹力與建筑物基礎(chǔ)間會形成相互力作用，它被劃分為切向凍脹力與法向凍脹力，如圖1B、C兩點的垂直方向變形就是由2種凍脹力共同作用引發(fā)的。再看圖中E點，它表示渠道底板由于斷裂而嚴(yán)重影響渠道過水能力，形成沖刷渠基。如果渠底板斷裂而不及時修復(fù)，就會造成渠道滲漏危險，甚至導(dǎo)致渠道輸水功能失效。同時，由于渠道底部兩端會因約束作用而產(chǎn)生法向凍脹力α，當(dāng)α分別按B、C垂直方向邊坡變形形成凍脹分力α1與沿坡方向凍脹力α2時，其中α2也會對渠道襯砌體起到沿坡向上的推動力作用，這說明α兩點決定了渠道凍脹力的方向及受力點變化，根據(jù)它們來辨別凍脹力的受力方向，就能判斷出渠道的變形狀況，如圖2所示。

圖2 渠道襯砌板的各個受力方向及受力成分分析示意圖

2 寒冷地區(qū)渠道防滲工程的凍脹現(xiàn)象有效防治途徑

由上文分析可以得知，在寒冷地區(qū)渠道防滲工程出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象主要取決于渠道基土土體的凍結(jié)水分遷移狀況與凍脹作用本身。換言之，是渠道的土體土質(zhì)與水分走向發(fā)生了沿渠變化。為了盡量削減和消除這種凍脹現(xiàn)象，最大限度保護(hù)渠道襯砌體，讓其位移量與渠基土凍脹量處于可承受范圍內(nèi)，文章提出以下幾點防治方案，希望對緩解渠道防滲工程凍脹現(xiàn)象起到一定效果。

2.1 物理化學(xué)防治

渠道防滲工程產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象與渠道基土土體自身特性有關(guān)，而采用物理化學(xué)方法可以有效改變土質(zhì)特性，交換基土土體中的陽離子與鹽分，對凍脹現(xiàn)象產(chǎn)生一定的抑制作用。當(dāng)基土土體中的水分遷移強(qiáng)度與冰點由于陽離子與鹽分的交換而發(fā)生變化時，凍脹現(xiàn)象也會隨之削弱。一般來說目前比較常見的用以改善基土土體物理化學(xué)屬性的方法包括以氯化鈉摻入鹽分為主的人工鹽漬化改良土方法，在基土土體中加入憎水性物質(zhì)的憎水物質(zhì)改良土方法，或者直接用聚合劑與分散劑作為添加劑的土顆粒聚集分散改良土方法等。以上物理化學(xué)措施對防治如今的渠道基土土體凍脹現(xiàn)象有顯著效果，而且操作相對方便簡易，且材料來源相對較廣，但這種方法抑制凍脹現(xiàn)象的有效期較短，僅能維持3～5 d左右。

2.2 回避防治

回避凍脹機(jī)理就是采用回避凍脹方法來降低凍脹對渠道所造成的破壞性，它要求明確建筑物的型式選擇和總體結(jié)構(gòu)形式布置，進(jìn)而避免不利凍脹條件發(fā)生使渠道受到凍害影響。一般來說，目前比較常見的回避防治方法有埋入、隔離和架空3種。

架空通常指將原有板型基礎(chǔ)改為樁基礎(chǔ)，進(jìn)而使整個建筑物或部分結(jié)構(gòu)被架空。在這里，渡槽可以被認(rèn)為是渠道中的主要架空形式。該方法充分利用了架空消能設(shè)施及架空管路，在渠道兩側(cè)無填土位置設(shè)計了專門的擋土墻與U形槽；埋入法則是將渠道的部分結(jié)構(gòu)埋入填土層下層或凍層，該方法比較適合于某些水工渠道建筑物，也適用于某些灌渠分水閘中；最后的隔離法則在渠道基土土體基礎(chǔ)上與周圍土間布設(shè)了相應(yīng)的隔離措施，它的作用就是防止土體與渠道基礎(chǔ)表面形成凍結(jié)現(xiàn)象。

2.3 隔熱保溫防治

隔熱保溫防治是緩解凍脹的有效方法，它利用泡沫水泥、爐渣、聚苯乙烯泡沫板、膨脹珍珠巖等保溫層制品來作為主要隔熱層，主要鋪設(shè)在渠道底部及兩側(cè)邊坡上，形成隔熱材料導(dǎo)體。它能夠有效控制渠道基土土體的熱量輸出輸入，確保凍土內(nèi)部的水熱耦合作用始終處于一個時空重分布均勻狀態(tài)，不容易導(dǎo)致渠道出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。一般來說，采用隔熱保溫防治方法還必須滿足保溫材料的基本強(qiáng)度和壓縮系數(shù)，包括材料本身的吸水性、耐久性和抗腐蝕性等。同時為了最大限度消減保溫隔熱層凍深值，在隔熱保溫過程中必須殘留一部分凍土基土土層，這樣能夠有效降低渠道防滲工程成本。

2.4 防滲排水防治

防滲排水防治也是寒冷地區(qū)渠道防滲工程的最基本凍脹現(xiàn)象防治方法，它主要有兩方面要求，地面積水排出和地下水位降低。在降低地下水位以后也要阻隔外水補(bǔ)給，同時降低季節(jié)性凍土層范圍內(nèi)基土土體的含水量。實際上，必須按照渠道防滲工程的不同地質(zhì)狀況、基土土體條件來采取相對應(yīng)的隔排水措施，其目的也是為了有效控制水分條件，最大限度降低凍脹所帶來的破壞效果。

3 結(jié)語

總而言之，在北方季節(jié)性凍土區(qū)，渠道凍脹破壞現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，它不但造成渠道功能的損害，也會導(dǎo)致水體直接結(jié)冰。如果渠道在冬季有輸水任務(wù)時，一定要做好渠道防滲工程的凍脹應(yīng)對策略，文章主要圍繞土質(zhì)、水分及溫度3方面影響因素來分析問題，并鼓勵采用新技術(shù)、新材料來創(chuàng)新防治措施，更好解決凍脹破壞問題，確保渠道輸水安全。

（責(zé)任編輯：左英勇）

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2016-08-16