淺析砼襯砌渠道凍脹與凍害成因及防治措施

單鵬超

摘 要：南水北調(diào)中線工程大部分位于較為寒冷的北方地區(qū)，由于渠道水滲漏以及地下水的其他水源的補(bǔ)給等因素，渠道基土含水量較高。渠道襯砌混凝土在經(jīng)歷冬季后會(huì)出現(xiàn)不同程度的凍脹損壞，例如裂縫、錯(cuò)臺(tái)以及表面凍融等。在天暖冰雪融化后又導(dǎo)致渠基土過于濕潤，致使渠基土自身的穩(wěn)定性能和強(qiáng)度降低，引起襯砌體的破壞。這些對(duì)工程的正常運(yùn)行會(huì)都產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，不僅浪費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力去維修和管理，并且直接制約著工程效益的發(fā)揮，浪費(fèi)寶貴的水資源，更為嚴(yán)重的還會(huì)影響工程安全。

關(guān)鍵詞：砼襯砌渠道；凍脹與凍害成因；防治措施

凍脹以及凍害的危害非常大，所以如何解決渠道的防滲抗凍脹問題是必須要加大科研力度解決的。例如在渠道襯砌板和渠土之間鋪設(shè)一層保溫防滲的土工膜、添加土壤固化劑等方式，這些方式發(fā)揮了一定的作用，但其中一些造價(jià)成本過高抑或是不能因地制宜，并沒有被大范圍的推廣，所以還需要對(duì)渠道防滲抗凍脹這一課題進(jìn)行深入的研究。

1 砼襯砌渠道凍脹與凍害成因

1.1 地下水對(duì)凍脹破壞的影響

凍土中水分遷移的宏觀表現(xiàn)是凍脹的實(shí)質(zhì)。渠道在停水后，內(nèi)部的水位降低，由于存在相對(duì)壓差，大量渠道外部的地下水向渠道內(nèi)部滲透，渠道邊坡的混凝土襯砌板處于極不穩(wěn)定的狀態(tài)，從而發(fā)生位移、滑落。由于地下水滲透的作用，渠基土的含水率處在較高的水平，這會(huì)使襯砌板本身出現(xiàn)裂縫甚至斷裂。渠基土的土質(zhì)均勻時(shí)，渠道各部分的凍脹量不隨凍深的增加而增大，基土水分的補(bǔ)給是決定凍脹程度大小的主要因素四。在土質(zhì)相同的條件下，渠基土的凍脹程度與地下水位的高低幾乎呈反比關(guān)系。渠基土的含水率和水分補(bǔ)給與地下水位的高低關(guān)系密切，在封閉的體系中，土壤的持水量決定了其凍脹的程度；在開敞的體系中，盡管土體初始的含水率很低，但外界水分的補(bǔ)給會(huì)強(qiáng)化其凍脹程度。

1.2 渠基土質(zhì)對(duì)凍脹破壞的影響

土質(zhì)是衡量凍脹土與非凍脹土的主要因素。渠土土質(zhì)從宏觀上講，包括土顆粒粒徑粗細(xì)、土壤密度和有機(jī)物含量。一般認(rèn)為，土體中的土顆粒的粒徑越細(xì)，土體的凍脹程度就越大。從土顆粒粒徑的粗細(xì)角度分析，土壤顆粒之間的孔隙較大，能夠使水體充分滲透，土中不存在停留的水分，反之，在土顆粒粒徑較小的土體中，顆粒之間的孔隙較小，從而使土體發(fā)生凍脹。在土體含水率，低溫等因素相同的情況下，土質(zhì)不同，水分的運(yùn)移量也不同，在粘土中，之間的電分子引力大，水分的運(yùn)移量很少，而且只析出較少的晶體，凍結(jié)的速度較慢；在粉質(zhì)粘土中，基土中的毛細(xì)管數(shù)量多，形成了地下水向凍結(jié)鋒面遷移的通道，從而使土體的含水率不斷上升，凍結(jié)速度快，凍脹劇烈。在土體含水率和地溫一定時(shí)，隨著土體密實(shí)度的不斷增加，土體的凍脹性先增大后減小，對(duì)于密實(shí)度較小的土體，土顆粒之間有很大的孔隙，有充分的空間使冰持續(xù)膨脹，土顆粒的間距也不發(fā)生改變，冰的膨脹空間有限，土體的膨脹量變大。隨著土體密實(shí)度進(jìn)一步加大，土體的幾乎不存在凍脹。

試驗(yàn)結(jié)果得出渠基土的壓實(shí)度，含水量及凍結(jié)溫度對(duì)于凍脹量大小的影響程度，從大到小依次為土壤含水率、壓實(shí)度，與溫度的關(guān)聯(lián)性最小。

1.3 渠基土水分對(duì)凍脹的影響

相關(guān)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在負(fù)溫作用下，土體的含水率0.7-0.9wp（wP為土的塑限含水量）時(shí)，會(huì)發(fā)生凍脹。當(dāng)沒有其它水源補(bǔ)給時(shí)，只是土中的孔隙水凍結(jié)，土體的凍脹一般是不明顯的；當(dāng)有其它水源的補(bǔ)給時(shí)，由于土體毛細(xì)管力的作用，水分向凍結(jié)區(qū)運(yùn)移，使原本結(jié)晶的水體積增加，造成渠基土各部分的水分分布發(fā)生了變化，上下部分的水分含量不一致，加劇了土體的凍脹。另外，當(dāng)渠道中的水向渠床方向滲流時(shí)，不僅增加了渠基土中的含水量，而且滲流時(shí)產(chǎn)生的滲透力對(duì)渠道襯砌板也有破壞的作用，這無疑加劇了渠道的凍脹破壞。

1.4 渠道走向?qū)雒浀挠绊?/p>

渠道的走向不同，斷面的各個(gè)部位受到的光照強(qiáng)度，渠基土的含水率等因素有所不同，渠道的陰坡和陽坡上的凍脹破壞也不相同。南北走向的渠道，光照時(shí)間和光照強(qiáng)度基本一致，陰陽兩坡的凍脹規(guī)律大致相同，陰坡的凍深略大于陽坡約10%～20%。東西走向的渠道，陰陽兩坡的溫度分布和凍脹規(guī)律都有所不同，凍深和凍脹程度相差很大，陰坡比陽坡首先進(jìn)入凍結(jié)，凍深大于陽坡，凍脹強(qiáng)度也大于陽坡四。

1.5 負(fù)溫對(duì)凍脹的影響

季節(jié)性凍土地區(qū)是不可避免會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的負(fù)溫氣候，這是襯砌渠道發(fā)生破壞的主要條件，外部氣溫的變化會(huì)直接影響渠道地下溫度的變化，土體溫度的下降導(dǎo)致凍深和凍脹量的不斷變大，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，全區(qū)的冬季氣溫呈逐年上升的趨勢，關(guān)于凍深的數(shù)據(jù)均減小。

2 防治措施

2.1 抗凍害的設(shè)計(jì)計(jì)算

在對(duì)凍害層以及凍脹量進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一定要依據(jù)補(bǔ)砌渠道抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算方法進(jìn)行嚴(yán)格的設(shè)計(jì)，同時(shí)還需要依據(jù)《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50662-2011）中規(guī)定的最大凍脹量以及使用工程地點(diǎn)多年平均凍土深度進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，通常情況下注意包括渠底中心、坡中、內(nèi)坡腳以及坡頂?shù)戎饕课?，在此基礎(chǔ)上來有效的計(jì)算最大凍脹量是否能夠有效的滿足襯砌結(jié)構(gòu)允許變形值。假如使用置換凍土方式來進(jìn)行防凍脹，那么還需要對(duì)凍土置換的深度進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算。

2.2 渠道選線及斷面形式的確定

在渠道設(shè)計(jì)中，其斷面的形式以及選線對(duì)渠道防凍漲具有很大的影響，所以在進(jìn)行選線時(shí)最好選在地下水位比較低而且渠床位置處的土壤比較好的區(qū)域，而且其形式最好是以墊方為主為最好，這樣就能夠在很大程度上防止?jié)B水而導(dǎo)致的凍脹情況出現(xiàn)。此外如若條件允許，可以置換已寫砂礫墊層，這樣的防凍效果會(huì)更好。此外通過選擇合理的渠道襯砌形式，也可以有效的降低凍脹的破壞程度。

2.3 工程防凍措施

工程防凍措施就是在渠道襯砌的過程中采用人為的方式，輔以工程其它材料，達(dá)到防凍脹目的，根據(jù)工程條件，因地制宜，可選用以下方法。

1）隔水法在襯砌板下采用埋藏式隔膜（如土工膜等）隔斷地下水對(duì)凍層的水分補(bǔ)給，而減少渠床的凍脹性。

2）置換凍層法在凍層深度內(nèi)將襯砌板下的凍脹性土置換成砂礫石等非凍脹性土，通過在置換材料以及原狀土之間設(shè)防濾層，但是置換得深度要根據(jù)凍層的結(jié)凍深度分布情況以及襯砌結(jié)構(gòu)的允許變位來進(jìn)行計(jì)算，此外在對(duì)材料置換厚度進(jìn)行確定時(shí)也要通過對(duì)襯砌渠道的底、坡、頂?shù)年?、陽面進(jìn)行計(jì)算來確定。

3）基土翻夯壓實(shí)法對(duì)渠道基土翻夯壓實(shí)，可改變基土的物理性質(zhì)，提高基土的密實(shí)度，減少基土的含水量，減緩凍脹，增強(qiáng)土體抵抗變形和相對(duì)維持穩(wěn)定的能力，從而達(dá)到防凍脹的目的。

4）排水法在渠道基土凍層下，設(shè)置縱橫向暗管排水系統(tǒng)，降低地下水和基土含水量，把渠道凍結(jié)層中的重力水和渠道滲水排出渠底外，而減少水分遷移。

總之，通過對(duì)凍脹以及凍害部位采取有效的處理措施，我們發(fā)現(xiàn)通過對(duì)渠道襯砌工程的實(shí)際情況進(jìn)行有效的考察，并且依據(jù)不同區(qū)域不同的地質(zhì)情況進(jìn)行綜合的分析與考慮，能夠更加有效的提高防凍脹的效果，而且也能夠在很大程度上提高渠道襯砌工程的使用壽命。但是我們需要注意的是，在防治過程中如果一種解決方式不能對(duì)其進(jìn)行有效解決的話，可以采取綜合治理的方式，由此來確保治理的效果。

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