揚(yáng)黃渠道凍脹破壞的原因及預(yù)防措施研究

王緒存，吳 榮，于國(guó)興，晁 海，丁良杰，楊 軍，張建榮

（寧夏回族自治區(qū)固海揚(yáng)水管理處，寧夏中寧 755100）

0 引 言

固海揚(yáng)水渠道是寧夏建設(shè)最早規(guī)模最大的提水灌溉渠道，首級(jí)泵站從中寧縣泉眼山黃河南岸抽取黃河水，沿途經(jīng)過十幾級(jí)泵站逐級(jí)揚(yáng)水至固原市原州區(qū)，灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉面積和補(bǔ)灌面積共計(jì)11.256 萬hm2。為中南部貧困山區(qū)群眾的脫貧致富起到了巨大的推動(dòng)作用。

固海揚(yáng)水干渠是混凝土板襯砌的梯形渠道，部分挖方段渠道兩側(cè)高地均為農(nóng)田，渠道基土含水量大，導(dǎo)致混凝土板的填縫混凝土出現(xiàn)開裂、混凝土板隆起、板間架空、混凝土板錯(cuò)位、滑塌等凍脹破壞現(xiàn)象比較嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)固海渠道因凍脹造成混凝土板的隆起、架空和滑塌等破壞現(xiàn)象約占渠道破壞總數(shù)的82%，局部邊坡混凝土板整體滑塌不能正常輸水的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

許多學(xué)者對(duì)旱寒區(qū)渠道襯砌工程的凍脹破壞進(jìn)行大量研究，王正中等［1］從工程力學(xué)和水—熱—力耦合的數(shù)值模型研究?jī)鋈谄茐臋C(jī)理和抗凍脹技術(shù)；葛建銳等［2］利用彈性地基梁治理渠道破壞；王希堯［3］、孫杲宸等［4］研究不同土壤條件和地下水埋深對(duì)土壤的凍脹；薛珂等［5］、肖旻等［6］從地下水位補(bǔ)給和遷移研究?jī)雒浧茐模唤２ǖ龋?］、劉月等［8］研究水分遷移與相變規(guī)律對(duì)土體的凍脹；王正中等［9］、唐少容等［10］對(duì)弧底梯形渠道和U型渠道的凍脹變形進(jìn)行研究；張棟等［11］利用保溫材料復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)研究?jī)雒洠获T有亭等［12］利用膨脹土防滲毯進(jìn)行渠道防凍脹試驗(yàn)；孫杰等［13］采用模袋混凝土治理渠道凍脹。綜上所述，前人在渠道防滲抗凍脹的力學(xué)分析，凍脹過程中的水分遷移，保溫材料和基土凍脹的水熱力耦合等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究。目前，防凍脹治理形成多樣化的發(fā)展趨勢(shì)，出現(xiàn)渠道防凍脹的各種措施。本文在借鑒他人研究的基礎(chǔ)上，采用毛細(xì)透排水帶［14，15］與排水管相結(jié)合的排水措施，降低渠道基土中的地下水，并對(duì)渠道基土的含水量與渠道混凝土板凍脹量之間的關(guān)系進(jìn)行研究，達(dá)到防止渠道凍脹破壞的目的。

1 渠道襯砌混凝土板冰凍破壞的特點(diǎn)

本次改造試驗(yàn)段為固海二干渠（4+400-5+200）深挖方段渠道，該段渠道為東西走向。渠道土體主要為清水河流域內(nèi)的沖積壤土和黏土層，土層較深，土壤粒徑小于0.075 mm 的含量占總土壤的18.59%，小于0.25 mm 的含量占總土壤的41.17%（見表1），具有較高的凍脹性。并且渠道兩側(cè)的高地均為農(nóng)田，季節(jié)性灌溉用水補(bǔ)給地下水和受到清水河的影響該段渠道的地下水位較高，渠道凍脹破壞嚴(yán)重。

表1 渠道土壤的顆粒級(jí)配 %

1.1 襯砌渠道破壞的特點(diǎn)

原渠道為1∶1.5 邊坡的梯形渠道，混凝土預(yù)制板襯砌，板縫間采用細(xì)石混凝土填縫。渠道長(zhǎng)期運(yùn)行過程中混凝土板受季節(jié)性凍脹融沉循環(huán)的影響造成破壞。隨著渠道運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，渠道滲漏量增大，農(nóng)田灌溉水的下滲，土體中的含水量增大，加劇了襯砌板凍脹破壞的發(fā)生。從出現(xiàn)混凝土板間填縫混凝土裂縫到混凝土板的隆起、板間的架空，發(fā)展到混凝土板滑塌，最后失去防護(hù)作用，都是凍脹破壞的結(jié)果。

1.2 襯砌破壞的幾種特征

渠道混凝土襯砌板破壞程度隨著渠道運(yùn)行年限的增加越來越嚴(yán)重，在運(yùn)行過程中混凝土板的破壞大致有以下四種特征。

（1）填縫混凝土開裂。一是渠道土體在負(fù)溫和正溫交替作用下產(chǎn)生凍脹融沉，混凝土板間的填縫混凝土在上抬和回落過程中發(fā)生不均勻抬高和沉降產(chǎn)生裂縫，并在凍融循環(huán)中裂縫逐漸擴(kuò)大；另一種是渠道在施工過程中，混凝土板與現(xiàn)澆的填縫細(xì)石混凝土間有細(xì)小的干縮裂縫，在渠道運(yùn)行中水分從裂縫進(jìn)入到混凝土板后，到冬季水分無法及時(shí)排出形成凍脹裂縫。

（2）混凝土板隆起架空。隨著凍融破壞的逐年增加，混凝土板間的填縫混凝土裂縫擴(kuò)大，有更多的水和泥沙進(jìn)入到混凝土板后，基土的含水量增大，在基土凍結(jié)后混凝土板不均勻抬高，填縫間的細(xì)石混凝土斷裂；基土融沉后凍脹量消失，混凝土板由于不均勻沉降不能恢復(fù)原位，造成混凝土板之間的架空。

（3）混凝土板位移。隨著渠道混凝土板隆起架空的發(fā)展，混凝土板后的架空空間完全被水流中的泥沙填滿，襯砌的上部混凝土板逐漸脫離下部混凝土板的支撐點(diǎn)；在渠道消融時(shí)，由于陽(yáng)光的照射，混凝土板后的泥土首先消融形成一層泥水潤(rùn)滑層，降低混凝土板與基土間的摩擦力，上層混凝土板在重力作用下逐漸下滑產(chǎn)生位移。

（4）混凝土板滑塌。渠道混凝土板的下滑位移達(dá)到一定的程度后，上部的混凝土板完全脫離下部混凝土板的支撐點(diǎn)向下滑動(dòng)，使上下層混凝土板之間發(fā)生錯(cuò)位、下滑、相互疊加等情況。

圖1 渠道混凝土板的隆起、架空

2 渠道混凝土襯砌板破壞的原因分析

2.1 襯砌板破壞的原因

圖2 渠道混凝土板的滑塌

渠道混凝土板發(fā)生凍脹破壞具體表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：①基土的土質(zhì)類型是發(fā)生凍脹的主要因素，土質(zhì)中細(xì)小顆粒含量決定著基土凍脹量的大小。②渠道凍結(jié)期間，基土內(nèi)水分在毛細(xì)管作用和土壤內(nèi)溫度梯度的共同作用下，水分向凍結(jié)深度范圍內(nèi)的鋒面上遷移積聚，并在鋒面范圍內(nèi)凝結(jié)成冰，體積增大使基土產(chǎn)生凍脹。③相同條件下渠道土體的凍脹量遠(yuǎn)大于混凝土板的凍脹量，基土凍脹體積增大，導(dǎo)致混凝土板被動(dòng)抬升，底部混凝土板在抬升中受兩側(cè)邊板的約束產(chǎn)生拉應(yīng)力；邊坡下部襯砌板受到底部襯砌板凍脹的頂托和凍脹力的影響呈現(xiàn)出壓應(yīng)力，邊坡上部的混凝土板呈現(xiàn)拉應(yīng)力，造成底部襯砌板開裂抬升，邊坡混凝土襯砌板形成開裂和隆起架空現(xiàn)象。④混凝土板的上抬和位移釋放了混凝土板結(jié)構(gòu)上的凍脹力，混凝土板及基土受力狀態(tài)得到調(diào)整，混凝土板與基土之間的凍結(jié)遭到破壞，受力狀態(tài)重新分布達(dá)到新的平衡。⑤在行水期間，水分和泥沙從裂縫和架空的混凝土板縫進(jìn)入板后，逐漸造成混凝土板后的淤積，加劇了混凝土板的隆起、架空、錯(cuò)位直至滑塌失去防護(hù)效果。⑥對(duì)于深挖方渠道，由于農(nóng)田灌溉水的下滲并向混凝土板后的土層滲透，再加上渠道的滲漏水，導(dǎo)致渠坡混凝土板下的基土處于飽和狀態(tài)，加大了渠道的凍脹破壞。

2.2 影響襯砌板破壞的因素

渠道混凝土板破壞與渠道基土的土質(zhì)、含水量、地下水埋深、地溫梯度的變化、凍土深度、渠道襯砌結(jié)構(gòu)形式等有關(guān)。

（1）渠道的基土。該段渠道建在清水河的二級(jí)階地上，土壤為清水河的沖積壤土層，中間夾有厚度不等的水平黏土層，土壤凍結(jié)期水分遷移劇烈，土壤在凍結(jié)中形成的冰晶透鏡體較厚。土體呈淺黃褐色，土壤密度為1.71 g/cm3，含水量在21.4%～30.4%之間（9月25日秋灌渠道停水時(shí)取樣含水量為30.4%，4月8日春灌上水前土壤含水量為21.4%），土體最大干密度為1.87 g/cm3，最優(yōu)含水率為16.53%。

（2）地下水位。該段的地下水位隨季節(jié)變化而變化，在灌溉用水高峰期和汛期地下水位明顯上升。渠道地下水位受清水河水位和農(nóng)業(yè)灌溉周期變化影響，在每年3-4月份，地下水位的埋深最深為6～9 m，8-11月份因農(nóng)田灌溉面積大、灌溉較為集中，同時(shí)降雨量增加，地下水位的埋深只有2～4 m，高地下水位一直維持到冬灌結(jié)束，土壤封凍。

3 渠道襯砌混凝土板破壞的防治

本次試驗(yàn)渠道采用防滲、防凍脹和邊坡穩(wěn)定為主的襯砌形式，通過減少渠道滲漏和降低地下水等措施對(duì)渠道凍脹破壞進(jìn)行防治。

3.1 渠道襯砌斷面型式

固海二干渠4+400-5+200 段防凍脹砌護(hù)改造，渠道襯砌采用圓弧底梯形復(fù)合斷面的結(jié)構(gòu)形式，渠道邊坡由原來的1∶1.5改為1∶1.75，渠道襯砌結(jié)構(gòu)從下到上依次為4 cm 厚的聚苯乙烯保溫板、200 g×0.5 mm/m2（一布一膜）聚乙烯復(fù)合土工膜、3 cm厚水泥砂漿保護(hù)層、8 cm 厚預(yù)制混凝土板，板縫間采用現(xiàn)澆混凝土填縫。

采用圓弧底梯形復(fù)合斷面的襯砌結(jié)構(gòu)與原梯形斷面的混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)相比較，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①弧形渠道的水流條件好，便于渠道輸水、輸沙；②圓弧底渠道混凝土板受到的法向凍脹力和切向凍結(jié)力都比較均勻，因圓弧的受力特點(diǎn)，圓弧段的襯砌板受到的法向力和切向力最終都產(chǎn)生軸向壓力向兩側(cè)及邊坡板傳遞，使得底部受力和產(chǎn)生的變形都很小，減輕了襯砌板的凍脹破壞；③渠道邊坡采用1∶1.75 比原1∶1.5 邊坡更利于邊坡穩(wěn)定。

3.2 渠道排水材料的應(yīng)用

為了有效降低渠道基土中的地下水，采取在渠道邊坡中埋設(shè)毛細(xì)透排水帶和渠底埋設(shè)排水管相結(jié)合的措施排除地下水。毛細(xì)透排水帶近年來在壩體下游坡面反濾層的排水系統(tǒng)，公路、鐵路隧洞外邊坡襯砌排水，垃圾填埋場(chǎng)滲濾液導(dǎo)排系統(tǒng)的優(yōu)化排水和高寒區(qū)鹽堿地改良排水等方面得到廣泛的應(yīng)用。毛細(xì)透排水帶是一種軟質(zhì)塑料薄片，厚度約2 mm，寬度在20～30 cm 不等，毛細(xì)透排水帶塑料薄片的中間開有一排直徑約1 mm的圓孔，在塑料薄片的一側(cè)，每個(gè)圓孔下方開有約0.3 mm的窄槽與圓孔相連。這種圓孔與窄槽形成吸排水結(jié)構(gòu)具有水的毛細(xì)管的毛吸力、虹吸力、表面張力和重力的共同特性，形成了毛細(xì)透排水帶特有的排水體系。

在渠道邊坡上將毛細(xì)透排水帶開口向下鋪設(shè)，毛細(xì)透排水帶中0.3 mm寬的窄槽與土壤接觸時(shí)，土壤中的水分在毛細(xì)管的毛吸力作用下，將水吸入窄槽并進(jìn)入圓形導(dǎo)流管，水進(jìn)入窄槽后在水的表面張力作用不能向外流出，在重力作用下沿著圓形的導(dǎo)流管流向渠道底部的排水管；導(dǎo)流槽中的水流向排水管后，滯留在導(dǎo)流槽內(nèi)的水又形成壓差（渠道坡面導(dǎo)流槽上部的水與排水管之間的壓力差），排水槽中的水在這種壓差和虹吸的作用下，土壤中的水分又被吸入排水帶中形成排水循環(huán)系統(tǒng)。土壤中的水進(jìn)入排水帶，但土壤顆粒在重力的作用下與水分離，不會(huì)進(jìn)入排水帶，因此不會(huì)影響渠堤的穩(wěn)定，且排水帶為軟質(zhì)塑料埋入地下不受地形條件的約束。

3.3 毛細(xì)透排水帶的布置

在渠道4+400-4+900 段的渠坡距保溫板30 cm 深的基土中，每隔30 cm 埋設(shè)一道寬20 cm 的毛細(xì)透排水帶，排水帶從渠道邊坡一直鋪設(shè)到渠道底部，在底部中心線相應(yīng)位置鋪設(shè)DN110PVC 排水管，在排水管側(cè)壁開槽與毛細(xì)透排水帶一端相連，開槽長(zhǎng)度與毛細(xì)透排水帶的寬度相同，將毛細(xì)透排水帶伸入PVC 排水管側(cè)壁的槽中，并在排水管上固定。土體中的水分通過毛細(xì)透排水帶排入排水管，并在渠道外坡的低洼溝道處將排水管引出集中排入排水溝道（型式一）。在渠道4+900-5+200段上部襯砌結(jié)構(gòu)型式與（型式一）相同，不同之處是土體中沒有鋪設(shè)毛細(xì)透排水帶（型式二）。對(duì)兩種襯砌型式（型式一設(shè)置排水帶排出地下水，型式二沒有排地下水）的渠道進(jìn)行觀察、對(duì)比，以便更好地對(duì)渠道凍脹破壞進(jìn)行預(yù)防治理。

3.4 渠道觀測(cè)設(shè)備的布置

（1）氣溫和地溫觀測(cè)。試驗(yàn)區(qū)的氣溫采用自動(dòng)測(cè)溫進(jìn)行記錄。地溫的觀測(cè)采用在渠道邊坡和底部埋設(shè)地溫傳感器進(jìn)行測(cè)溫，將地溫探頭分別埋入渠道保溫板下基土15、30、60、90、120 cm 的深度處，測(cè)量土壤不同深度的地溫。由于地溫的變化沒有氣溫變化明顯，地溫每三天在早晨觀測(cè)一次。渠道改造段埋設(shè)的地溫觀測(cè)點(diǎn)布置見圖3。

圖3 渠道地溫測(cè)量點(diǎn)位置布置圖

（2）土壤含水量和凍深觀測(cè)。土壤含水量和凍深分別在凍結(jié)的3個(gè)階段進(jìn)行測(cè)試，采用鉆孔取樣法對(duì)渠道的陰坡、陽(yáng)坡和渠底分別取3組土樣（直徑10 cm，取土深度20～80 cm）。

（3）觀測(cè)點(diǎn)的布置。在渠道的4+600、4+750、5+100 三個(gè)斷面布設(shè)觀測(cè)設(shè)備對(duì)地溫進(jìn)行觀測(cè)?？紤]到渠道凍脹過程的非均勻性，陰、陽(yáng)坡面凍脹量的差異，在每一斷面沿橫斷面方向設(shè)置五個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別設(shè)置在兩側(cè)坡面坡長(zhǎng)1/2 處，圓弧段與坡面的交匯處和底部中點(diǎn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 氣 溫

氣溫采用試驗(yàn)區(qū)氣溫自動(dòng)氣象站記錄的氣溫?cái)?shù)值，氣溫自2018年11月12日固海灌區(qū)的改造段出現(xiàn)負(fù)溫開始，到2019年3月26日灌區(qū)的負(fù)溫消失結(jié)束，總計(jì)測(cè)溫天數(shù)為135 d。最低氣溫在2019年1月15日凌晨，氣溫為-19.6 ℃；最高氣溫在2019年3月26日中午，氣溫為23.6 ℃，在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)出現(xiàn)負(fù)溫的天數(shù)為88 d。

4.2 渠道地溫

對(duì)渠道3 個(gè)觀測(cè)斷面五個(gè)測(cè)點(diǎn)不同深度的地溫進(jìn)行觀測(cè)，地溫的最低數(shù)值在1月18日測(cè)得（各觀測(cè)點(diǎn)最低地溫見表2）；陽(yáng)面坡地溫最后回升的測(cè)點(diǎn)2 和陰面坡地溫最后回升的測(cè)點(diǎn)4，兩側(cè)點(diǎn)分別在3月28日和4月6日深度30 cm 處的地溫升到0 ℃以上，渠道的凍脹全部消失。

表2 渠道觀測(cè)斷面不同深度的最低地溫表 ℃

從地溫的觀測(cè)數(shù)值看到，渠道陽(yáng)坡混凝土板60 cm 以下基土的最低平均地溫全部在0 ℃以上，陰坡最低地溫相對(duì)低一些。地溫的高低與灌區(qū)氣溫和渠道陰、陽(yáng)坡面陽(yáng)光的照射有關(guān)。從觀測(cè)的日平均氣溫與地溫相比較，地溫從長(zhǎng)期看受氣溫變化的影響，但氣溫與地溫的關(guān)聯(lián)度不是很緊密，地溫的變化比當(dāng)?shù)貧鉁氐淖兓t1～3 d。

按照土壤0 ℃為結(jié)冰臨界點(diǎn)，根據(jù)觀測(cè)的不同深度的平均最低地溫，利用內(nèi)插法計(jì)算土壤結(jié)冰臨界點(diǎn)的具體深度見表3。

表3 觀測(cè)渠道斷面地溫計(jì)算各測(cè)點(diǎn)的最大凍深 cm

計(jì)算得渠道陽(yáng)面坡的平均凍深為47 cm；陰面坡平均凍深為70 cm，渠底的平均凍深為53 cm。

在1月18日用鉆芯取樣測(cè)得各測(cè)點(diǎn)的最大凍深見表4。

表4 渠道鉆芯取樣測(cè)得斷面的最大凍深 cm

凍結(jié)期的鉆芯取樣測(cè)得渠道陽(yáng)面坡最大平均凍深為47 cm；陰面坡最大平均凍深為67 cm，渠底最大平均凍深為52 cm。陰面坡和渠底的最大平均凍深比地溫觀測(cè)計(jì)算值偏小，是因?yàn)橥寥赖刭|(zhì)的差異和在鉆芯取樣時(shí)對(duì)凍結(jié)的冰晶透鏡體產(chǎn)生擾動(dòng)導(dǎo)致有測(cè)量誤差，但總體結(jié)果和測(cè)量地溫計(jì)算得到的凍深相一致。

4.3 土壤含水量

從冬灌停水到4月上旬，分三次對(duì)渠道邊坡和渠底的20～50 cm和50～80 cm范圍內(nèi)的基土取樣，測(cè)量基土中的含水量，鉆芯取土樣的斷面與測(cè)溫的斷面位置相對(duì)應(yīng)，水平距離相距10～20 m 之間且互不影響，按照土樣的不同深度測(cè)量土壤含水量。第一次在11月29日冬灌結(jié)束，渠道水已全部排空還未凍結(jié)時(shí)取樣。第二次在1月18日土壤全部?jī)鼋Y(jié)，氣溫接近全年度最低時(shí)取樣。第三次在4月6日氣溫和地溫全部回升到0 ℃以上，渠道春灌上水前進(jìn)行取樣。

表5 渠道觀測(cè)斷面含水率 %

4.4 土壤含水量比較

從3 個(gè)階段基土含水量來看，埋設(shè)毛細(xì)透排水帶的斷面1和斷面2 含水量的平均值與沒有埋設(shè)排水帶的斷面3 的平均含水量降低的百分比見表6。

表6 渠道埋設(shè)毛細(xì)透排水帶基土平均含水率降低的百分比 %

從試驗(yàn)段渠道各測(cè)點(diǎn)含水率的降低值來看，渠道埋設(shè)毛細(xì)透排水帶的基土和沒有埋設(shè)毛細(xì)透排水帶基土中的平均含水量比較，含水量在渠道凍結(jié)前、凍結(jié)期和全部融化后的最大值分別降低了21.4%、14.7%和27.9%，說明毛細(xì)透排水帶的埋設(shè)能有效降低渠道基土中的含水量。

4.5 渠道凍脹量的觀測(cè)

（1）在渠道秋季施工時(shí)，分別4+500、4+650、4+800、5+000、5+100 段渠道的上板沿、現(xiàn)澆圓弧段與坡面板結(jié)合處的板沿和渠底分別設(shè)置高程和開口寬度觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)，每個(gè)斷面共設(shè)置5 個(gè)觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)。采用四等水準(zhǔn)閉合測(cè)量方法對(duì)標(biāo)點(diǎn)的高程進(jìn)行測(cè)量，用鋼尺測(cè)量標(biāo)點(diǎn)渠道開口和圓弧段開口寬度值。

在2018年11月23日冬灌停水后對(duì)各個(gè)斷面設(shè)置的觀測(cè)標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行校對(duì)，確認(rèn)無誤后作為初始點(diǎn)進(jìn)行控制測(cè)量。按照最低氣溫和時(shí)間的不同，分四次對(duì)渠道的凍脹量進(jìn)行測(cè)量比較值見表7。

表7 渠道各階段測(cè)量高程數(shù)值與原數(shù)值比較值 mm

（2）渠道控制點(diǎn)的高程差值，在冬灌停水的凍脹初期（12月20日）埋設(shè)毛細(xì)透排水帶與沒有埋設(shè)毛細(xì)透排水帶的平均高程差相差5.9 mm。從1月18日和2月20日的兩組測(cè)量數(shù)據(jù)可看出，有排水設(shè)施的平均高程差為18.8 mm，無排水設(shè)施的渠道平均高程差為31.4 mm，相差12.6 mm。4月6日渠道全部解凍通水前進(jìn)行測(cè)量，沒有排水的渠道高差變化比鋪設(shè)排水帶的變化幅度大，說明降低基土中的含水量降低了渠道的凍脹量。

（3）渠道控制點(diǎn)間的距離比較（1 與5 之間是渠道開口之間的距離、2 與4 之間是渠道邊坡板的下沿及圓弧段的頂點(diǎn)之間的距離）。

在冬灌停水初期和12月20日實(shí)測(cè)渠道的開口，不論基土中是否有排水措施，渠道圓弧斷面以下的部分和渠道開口之間的變化差值均不大；1月18日和2月20日實(shí)測(cè)的渠道開口，埋設(shè)毛細(xì)透排水帶的渠道開口與沒有埋設(shè)毛細(xì)透排水帶的渠道開口之間最大相差31 mm，平均相差20 mm。說明采用毛細(xì)透排水帶對(duì)控制渠道開口凍脹的內(nèi)縮有一定作用。

根據(jù)實(shí)測(cè)各測(cè)量點(diǎn)垂直方向的最大凍脹量（高差）和開口的水平距離的最大凍脹量的差值，計(jì)算渠道混凝土板的法向凍脹量，渠道開口寬度的差值按照陰、陽(yáng)坡的凍脹深度不同，采用內(nèi)插法計(jì)算陰坡和陽(yáng)坡的水平凍脹量，由此計(jì)算出來的陰坡和陽(yáng)坡各點(diǎn)的法向凍脹量如表9所示。

表9 渠道觀測(cè)斷面的最大法向凍脹量 mm

渠道陽(yáng)坡埋設(shè)毛細(xì)透排水帶的平均法向凍脹量比沒有埋設(shè)毛細(xì)透排水帶的平均法向凍脹量減少了74%，陰坡的平均法向凍脹量減少了79%，渠底的平均凍脹量減少了50%。利用毛細(xì)透排水帶排除渠堤基土中的地下水，對(duì)預(yù)防渠道混凝土板的凍脹破壞效果顯著。

5 結(jié) 論

本文剖析了寧夏固海季節(jié)性輸水渠道在冬季停水期間凍脹破壞的原因，通過采用毛細(xì)透排水帶排出地下水，降低基土含水量試驗(yàn)和觀測(cè)分析，得出以下結(jié)論。

表8 渠道各階段距離測(cè)量數(shù)值與原數(shù)值比較 mm

（1）通過對(duì)渠道基土的地溫測(cè)量、凍深的測(cè)量和推算、含水量的實(shí)測(cè)和渠道斷面凍脹量的觀測(cè)，提出造成渠道凍脹破壞的關(guān)鍵是渠道基土的含水量大，降低渠道基土中的含水量能有效控制渠道的凍脹破壞。

（2）對(duì)于基土凍脹量大的渠道，渠道襯砌板的凍脹隨著基土中含水量的增加而增大。采用毛細(xì)透排水帶排除地下水，含水量在渠道凍結(jié)前、凍結(jié)期和全部融化后的最大值分別降低了21.4%、14.7%和27.9%，對(duì)應(yīng)渠道的陽(yáng)坡、陰坡和渠底的最大法向凍脹量分別降低了74%、79%和50%。說明毛細(xì)透排水帶應(yīng)用到基土含水量高的渠道對(duì)預(yù)防凍脹破壞效果顯著。

（3）渠道基土中鋪設(shè)的毛細(xì)透排水帶由于開口向下鋪設(shè)，水分和土體顆粒自動(dòng)分離，渠堤土體排水不會(huì)對(duì)坡面的基土產(chǎn)生擾動(dòng)，可保持渠堤的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

（4）經(jīng)過3年的運(yùn)行，埋設(shè)毛細(xì)透排水帶和排水管的渠道，混凝土襯砌板未出現(xiàn)凍脹破壞的跡象，表明采用毛細(xì)透排水帶降低基土含水量能有效控制渠道混凝土板的凍脹破壞。