淺談渠道基土凍漲對預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，北部漠河曾達到-52.3℃，為全國最低紀錄。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，預制混凝土襯砌渠道設計壽命一般為20～30年，而實際使用壽命遠低于規范要求。甚至經過一個年度就出現不同程度的凍漲破壞，輕者出現裂縫、鼓脹，重者坍塌滑坡，不能發揮正常的輸水效益，有的甚至喪失運行價值，不僅直接影響渠道的正常使用，而且增加了修復次數和工程費用。并且每年要耗費大量的人力、物力進行維護。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。

關鍵詞：凍漲破壞機理；防治措施；優化結構形式；精細化設計

1 渠道基土凍漲破壞的機理

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出現冰晶體，水結冰時體積膨脹，約增加原水體積的9%，因此出現凍漲。并且土在凍結的時候不僅原位置的水分凍結成冰，并且在滲透力（抽吸力、毛細力）的作用下水分從未凍區向凍結鋒面遷移并凍結成冰，使土的凍漲更加劇烈。由于凍結時的土中水分重分布的結果，凍土區、特別是多年凍土區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，使渠基出現嚴重凍漲。因冰凍而產生的凍漲力頂裂或頂起襯砌板而發生凍漲破壞。同時因土體處于飽和和過飽和的狀態，氣溫回升凍土融化后在外荷載或自重作用下發生沉降喪失其承載力，出現失穩塌陷對工程造成嚴重破壞。

2 預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構，在凍漲作用下，各部位受力不均勻，襯砌體適應能力不強，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、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。

根據渠道襯砌的凍漲因素分析，渠道襯砌的凍漲防治應從以下幾個方面入手：

2.1 通過換填凍漲性能小的土質來減少對渠道的凍漲影響

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

不同土質的凍漲順序為：粉質黏土>壤土>砂壤土>重黏土>砂礫土。

因此在渠道穿越洼地或土質為凍漲性較強的粉質黏土、壤土時，可采用無凍漲性或凍漲性較小的砂礫土進行換填。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

根據工程所處地區不同，用導熱系數低并具備一定強度和耐久度的隔熱材料，鋪設在襯砌層與渠基土之間，一般渠道可全斷面鋪設。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性能、抗無機試劑性能、抗有機試劑性能都比較好。在內蒙古研究結果顯示，平均鋪設1cm厚保溫板達到的抗凍效果如下：

隨保溫層厚度的增加，凍深成線性減少，保溫板鋪設厚度一般在3cm-10cm，可根據規范標準選用。

2.3 設置排水溝或抬高渠道來減少地下水對渠基的影響

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

2.4 采用復合材料設置隔離層

在剛性襯砌下設置復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。鋪設復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原狀造成的滲漏、潰渠。

2.5 嚴格控制渠基土料含水率和壓實干密度

根據黑龍江水科所的試驗，土的凍漲性與干密度有關，當土的飽和度一定時，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，根據試驗得到的最大干密度和設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，保證供水時達到設計供水位，確保供水效果。甘肅省水科所采用此法加固靖遠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 優化襯砌結構形式

由于渠道襯砌結構形式在凍漲時受力不均，對渠道的影響不同。因此在設計渠道時采用合理的襯砌形式，可以有效的削減、適應或回避凍漲。根據水利部凍土工程國家重點實驗室的研究結果，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，例如邊坡標準板塊形式為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。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。齊齊哈爾市富?？h塔哈渠道水利工程底寬為10m，就采用齒墻式結構。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化設計

渠道設計前期應著重了解項目區的氣候和自然條件，不應僅考慮灌溉面積、流速、比降、結構尺寸等基本項目，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。應根據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。提出適合當地條件的結構形式。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，采用合理的預防措施要比每年大量維護、返修成本少的多。

2.8 加強渠道的運行管理

由于冬灌對襯砌渠道的損害相當嚴重，冬灌停水越遲，凍害越嚴重，因此最后在基土凍結前適當安排冬灌時間必須冬灌的渠道，在負溫下應連續供水，并保持在最低設計水位以上運行。每年及時對襯砌渠道的裂縫進行修補，保持封頂完好，不允許有外水滲入渠道砌體背后。保證各種排水系統暢通，每年渠道運行灌水結束后，及時排凈渠道內積水，減少渠道內由于積水對于底板凍漲影響。另外可以在渠道附近植樹，應用生物排水，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行收割，即起到了排水、穩固邊坡的效果，也綠化了環境增加經濟效益。

3 結束語

渠道凍漲破壞是影響襯砌防滲效果和渠系工程發揮效益的主要原因之一，只有從規劃、設計、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，節省人力物力，節約水資源，充分發揮工程效益。

參考文獻

[1]陳肖柏.凍土力學與地基基礎.中國科學院冰川凍土研究所.