混凝土渠道襯砌凍害機理及措施分析

（新疆維吾爾自治區瑪納斯縣瑪納斯河水利管理處，832200，瑪納斯）

據有關資料統計，我國北方各省區的混凝土渠道和水工建筑物受凍脹破壞的約占總數60%以上。新疆亦如此，僅據昌吉、石河子、奎屯等地的調查，渠道襯砌受凍脹破壞的約占80%，建筑物凍脹破壞的約占60%，還有一些渠道因凍害嚴重已被迫重建。各地區每年花在維修凍害工程上的費用很大，即使這樣仍不能保證安全輸水，給國民經濟和工農業生產帶來了很大的損失。

一、基土的凍脹機理簡析

所謂土的凍脹就是土在凍結過程中體積增大的一種自然現象。

眾所周知，自然界幾乎所有物質都具有熱脹冷縮的性質，而土為什么會因凍而膨脹呢？人們很自然想到是由于土中水的作用，水在凍結時體積將增大9%，當冰體充滿孔隙后將引起土體膨脹。一般黏性土的孔隙率為33%左右。據計算，當土中水飽和時，凍脹率也只有3%左右，而有的土體凍脹率可達10%～20%。實際上，凍脹率的大小主要決定于水分遷移量的大小，而土的凍脹機理主要是水分遷移的機理。

水分遷移有兩條主要途徑，一方面是氣態水的遷移，另一方面是液態水的遷移。氣態水的遷移簡單來說，就像冬天我們常見到的一種自然現象，房間的窗戶上常結了一層冰，這就是氣態水遷移的結果。一般來講氣態水的數量較少，所以這種形式遷移的水分也較少，不是水分轉移的主要形式。而液態水的遷移機理主要是在凍結區和未凍區之間出現壓力差，在這個壓力差的作用下，下層的水將向凍結區轉移，這種現象不斷加劇，在土中形成垂直于寒流方向的偏凍塊，這種夾層逐漸加厚抬起上層土壤，使地面隆起，凍脹就此產生。

二、基土凍脹的特點

要采取措施來防治凍害，首先要了解渠道襯砌凍害的特點。據分析，季節性凍土區的中小型渠道襯砌工程與工業、民用建筑、公路、鐵路建筑相比具有下列特點：

一是渠道基土具備產生凍脹的充分條件。灌區內的渠道大多數處于黏土和壤土帶，地下水水位高，凍結前渠堤內的水分不易排除，這些不利因素為基土凍脹創造了條件。二是混凝土渠道襯砌為薄板結構，強度小重量輕，對基土的凍脹抵抗力較弱，當基土產生微小的不均勻凍脹時，就可使混凝土板開裂。三是水利規劃中確定的渠道線路，為避免不利條件不能任意選址。通水時間一般由工農業生產要求決定，因此一些渠段無法避免這些人為和自然的不利因素。四是渠道工程量大面廣，工程質量不易保證，防治凍害的各種措施難以有效實施。所以確定抗凍措施要考慮上述特點，選擇長期而實用的措施。

三、基土凍脹的類型

混凝土渠道凍害一般可分為四種類型：一是凍裂或收縮；二是凍脹；三是凍融；四是剝蝕。

1.溫度裂縫型

為防止襯砌板因溫度變化而引起裂縫，需要布置適當間距的縱橫向伸縮縫，在縫間距和縫中填料不當的情況下，溫度變化時混凝土板內將產生溫度應力，當應力大于混凝土板的允許應力時，混凝土板將開裂。

當板下約束較大時，混凝土本身也將開裂，橫向溫度縫一般是冬開夏閉，僅在相鄰板塊基土凍脹性及融沉性明顯不同時，才出現裂縫錯位。縱向溫度縫一般發展為凍脹縫，對于非凍脹基土，由于裂縫處逐年灌入泥沙，縫中處出現局部凍脹，裂縫逐年增大。對于凍脹基土，由于溫度裂縫的出現，削弱了襯砌材料對基土凍脹的約束力，加速了襯砌的破壞。

2.凍脹破壞型

當渠基土發生凍脹、混凝土板不能適應其變化時，將發生凍脹破壞，凍脹破壞有以下兩種情況：

一是當渠道不輸水、地下水水位在渠底以下時，凍脹量一般是渠頂最小，渠底最大。由于渠底和渠坡腳的凍脹量和凍脹方向不同，坡腳處的縱向伸縮縫將被拉裂錯位，如伸縮縫約束較大，將引起渠底和邊坡板的斷裂。渠底板在上抬過程中，由于受到邊坡板的約束，猶如受均布荷載的簡支梁，其中部彎矩最大，若此值大于襯砌板的允許值，底板中部將發生斷裂鼓脹，渠坡板與基土牢靠地凍結在一起。由于渠坡下部的凍脹量大于上部，所以上部的凍結力就對襯砌板的變形產生約束。根據實地觀察可知：裂縫一般發生在距渠底1/3～1/2斜長處。如邊坡板為預制板，則一般是在渠底第一塊板縫處開始膨脹開裂，最下面一塊板繞渠底轉動，第二塊被抬起。

二是當地下水水位高于渠底或渠道冬季通水時，最大凍脹量一般出現在水位以上，最大彎矩也出現在水面以上，所以冬季引水渠道一般都在水面以上不遠處出現裂縫。

3.凍融滑塌型

凍脹一般不至使渠道全部受到破壞，但卻為滑塌創造了條件。在春節凍土融化時，由于土內積水較多，所以融化后土壤含水量很大，呈過飽和泥漿狀，這時下面的凍土尚未融化。水分不能向下滲漏，只能由渠坡釋放，產生動水壓力使滑動力增大。土壤經過凍融作用孔隙變大結構變松，加上水的作用土的抗剪強度急劇下降，以及襯砌板已凍脹開裂，對基土的滑動幾乎不起抵抗作用。所以一般的渠道春季放水時破壞相當嚴重，這是渠道凍害的主要形式。

4.凍融剝蝕型

當水侵入混凝土或漿砌石砌體后在微小孔隙中凍結時，一方面與混凝土、漿砌石之間產生凍結力，另一方面孔隙中有冰晶體體積膨脹時，使周圍混凝土或漿砌石砌體產生相對拉力，其作用有如冰劈，特別是冬季引水渠道的水位變動區，這種情況更為嚴重，經過幾個冬春的凍融作用，混凝土表面將出現剝蝕現象。當混凝土標號不高孔隙較多時情況更為嚴重。

四、各種抗凍害措施的機理分析

根據上述特點，在選擇抗凍措施時，要因地制宜，選擇長期而實用的措施才有可能達到目的。

1.抬高渠床，采用填方渠道

根據實地調查表明，填方渠道能夠有效地防止凍脹，主要原因是填方渠道可使渠基土遠離地下水，地面水不易補給渠基，使土壤含水量低于臨界含水量，凍結時就不會產生聚冰層。填方渠道臨空面多，有利于排走渠道滲水，疏干基土，使渠基土失去凍脹的必要條件。填方高度根據水分遷移的特性，為了防止水分遷移，渠底距地下水水位的最小距離應等于最大凍土深加土壤毛管上升高度。在一般情況下，渠底控制在地面附近較好，渠底設在原地面，兩側的土堤為填方土料來自兩側排水溝，排水溝的深度和間距應使地下水水位滿足防止水分遷移的要求。一般可用下式(公式來源：武漢水利學報1957年1期,張蔚榛《灌溉渠道滲漏及其對地下水動態的影響》)估算：

式中，L為排水溝間距，k為土壤滲透系數，H為透水層厚度（平均地下水深），t為冬灌停水時間，h0為排水溝中水位距地面高度，μ為土壤的未飽和孔隙率，h為渠中心線處的地下水水位和排水溝水位之差。

如果要求灌水停止后七天內，水位回落到距渠底一定高度，即可根據上式驗算排水溝的深度和間距。

2.換填法

原來修建的混凝土襯砌渠道，普遍采用砂礫石換墊，從使用效果來看并不理想，只在有些地方有抗凍作用。分析其原因：一是渠道襯砌工程量較大，新疆凍深較大，要用砂礫石換填到一定厚度如2/3凍深，往往很不經濟；二是在黏土地基上換填10～20 cm的砂礫石，當地下水水位較高時，砂礫石墊層內含水量較高，排水困難，其本身近屬于凍脹性土，所以不起抗凍作用。另外由于春季黏土融化時，形成過飽和泥漿逐年充填在孔隙中，或當渠水含泥量較大時，砂土也將由滲水帶入填充在孔隙中，一般一兩年以后墊層將完全失效。這就是為什么有些采用砂礫石換填的渠道，剛建成時凍害不嚴重，而在使用幾年后凍害越來越嚴重的原因所在。有的渠道在維修凍害地段時，拆開襯砌板后，幾乎就見不到砂礫石了，但也不能完全否定砂礫石作為墊層的積極作用。經研究當換填的砂礫石達到一定厚度，并有排水出路時，可阻止和減少毛細管的作用，減少水分遷移，加強基礎強度使混凝土板受力均勻，因此在地下水水位低、砂礫料來源方便、土坡排水條件較好時可以利用。關于換填深度問題，有人建議采用我國道路工程中的經驗公式：

式中，e為墊層厚度，g為凍深，c為路面厚度。但運用到渠道襯砌工程中不太適合，因為道路一般是在干燥的條件下工作的，而且一般均高出地面一定距離，所以凍脹較輕，而渠道有輸水任務，基土的含水量較大，如用砂礫石換填防治凍脹，建議采用2/3～1倍的凍深厚度，否則作用不明顯。從這一點可看出，凍深較大的新疆地區采用換填法來防治凍深是不經濟的。

3.防滲隔水法

由前述可知，在一定的土壤和負溫條件下，水量是影響凍脹的決定性因素，因此可采取防滲和隔水來防止和減輕凍害，在混凝土渠道襯砌下鋪塑料薄膜，可有效防滲和抗凍，因為鋪膜后滲漏量減少，渠基土的含水量降低，地下水水位明顯下降減少了水分遷移，所以凍脹量小。另外塑膜還具有隔熱保溫的作用，據觀察可提高地溫6℃左右，因此凍深減小，凍脹量也相應減小。如在地下水水位普遍較高的地區和較重要的渠道，還可在混凝土板下鋪雙層塑料薄膜，采用雙層塑料薄膜的目的在于減小滲漏和切斷地下水補給，起到減小水分遷移作用，使基土在一定范圍內保持干燥，又因雙層塑料膜組成封閉系統和外界的空氣隔絕，具有保溫和控制雜草生長的作用。兩層塑膜的間距可取2/3凍深，中間的填土要壓實。

混凝土和塑膜結合用于渠道防滲，可以各自發揮其優點，揚長避短取得更好的效果，如適應大坡度引水，斷面小而整潔，避免塑膜被蘆葦穿透和被人畜破壞，凍脹破壞也因渠基含水量減少、地下水水位降低而減輕，所以混凝土和塑膜結合是一種值得提倡的型式。

有些地區采用混凝土板下鋪瀝青、蘆葦和油毛氈等措施，其抗凍機理和效果與鋪塑料薄膜相同，在有條件時可以采用。

4.排水措施

由工程實踐可知，修建于砂礫石地基上的渠道一般不發生凍脹破壞。原因是砂礫石地基在凍脹時水可以向下層排走，因此采用砂礫料換填的渠道必須解決排水出路，如不透水層較厚可用設暗溝的辦法把水排出渠基，當不透水層下部有砂礫石透水層時，可通過砂井把換填好的砂礫石與地基透水層連通起到排水作用。如石河子143團金溝河引水渠就采用這種方法，已運行近30年，情況良好。

5.結構措施

根據凍脹的特性，采取結構措施來抵抗和適應凍脹變形以防凍脹破壞，也是一種較常用的抗凍措施。如放緩邊坡，采用中部加厚板,如肋深板、“Π”形板、梯拱形渠道，以及地下灌溉和架空渡槽等。

由前面分析可知，混凝土渠道在春季融化時，常發生滑塌破壞，放緩邊坡增加混凝土板的穩定性，可避免邊坡滑塌破壞。

根據混凝土渠道邊坡因凍脹常在1/3～1/2斜長處出現裂縫這一事實，在這范圍內把襯砌板加厚成為中部加厚板，對于抗凍脹裂縫較為有效。肋深板和“Π”形板的剛度很大，減小了與基土的接觸面積，對基土的壓力就加大了，亦可減輕凍脹，由于縫大部分懸空，所以法向應力也較小，另外空氣還具有保溫作用，可提高地溫減輕凍脹，但施工復雜，接縫處要求嚴格不漏水。

梯拱形渠道在發生凍脹時，渠底的內力為軸向力，圓弧形渠底的剛度較大，一般不會開裂，對凍脹有較強的抵抗力。對于新疆大坡度引取含沙量較高的水時，結合抗磨和抗沖建議，采用干砌卵石弧形渠底。混凝土板邊坡的渠道，如瑪納斯瑪河灌區新湖、北五岔引水總干渠就是采用這種斷面形式，在沒有卵石的地方，為了抗凍渠床也可考慮用預制的圓弧形板。

6.生物措施

目前采用的生物措施主要是渠旁植柳，實踐證明這是一種經濟可靠、安全適用、簡單易行的抗凍措施，渠旁植柳的抗凍作用主要表現在以下幾個方面：

一是由于柳樹的須根發達，為吸收充分的水分，須根沿混凝土板后盤旋生長，是混凝土板下土層受根須擠壓固結，從而在混凝土板與土層間形成5～10 cm的纖維狀海綿體，起到了換置基土的效果，具有保溫和緩沖的作用。二是渠旁種柳樹，根須固結土坡，渠坡不會在春季融化時向下滑塌，即使冬季有少量凍脹變形也易于恢復，不會進一步發展。三是渠旁植柳，可形成小氣候，降低風速。四是須根的導熱系數很低，因此可提高地溫，減輕凍脹。五是渠旁植柳可起到生物排水的作用，有利于降低基土含水量，柳樹的根須破壞了基土的毛細管通道，使水分遷移困難，凍結面得不到水分的補充，冰晶體就不能增大，凍脹就輕。

7.采用優質填縫材料減少滲漏

混凝土板本身是不漏水的，襯砌渠道的滲水，一般是由于接縫不良引起的，因此要減少渠道滲漏就應從更新灌縫材料入手。以往混凝土渠道塊間一般用水泥砂漿填縫，伸縮縫一般用二氈三油和瀝青砂板，這幾種材料的共同不足是冬季柔性較差或根本沒有柔性，和混凝土板的黏結力較差，當混凝土板收縮時常被拉開造成漏水，夏季瀝青制品受熱易流淌，因此使用效果不佳。目前研制成的聚氯乙烯膠泥是一種較理想的灌縫材料，其特點是與混凝土板有很強的黏結力，受熱不流淌，在低溫下仍具有較好的彈性。有人做過如下實驗，用厚度10 cm的混凝土板砌成1 cm寬的縫，然后用該膠泥灌縫，待凝固后，用力拉混凝土，使縫由1 cm變為4 cm，膠泥未斷裂也沒有與混凝土板分離，外力清除后在彈力的作用下可恢復原有寬度，因此它的止水效果相當好，幾乎不漏水，但成本較高。現在在此基礎上研制出的以廢塑料為主要原料的塑料膠泥，其性能和上述膠泥相似，但成本大為降低，可推廣采用。

8.其他措施

一是提高混凝土強度，注意施工質量。根據實踐檢驗，提高施工質量和混凝土的強度對防治凍害是非常重要的。提高混凝土的質量和密實性一般要求用于渠道襯砌的混凝土不應低于200號，通常200號～250號，抗滲標號不小于B4，抗凍標號可采用F200以上，為提高混凝土的抗凍性應適當降低水灰比，一般采用0.55～0.65。另外適當摻些外加劑，如加氣劑、塑化劑等，也可增加混凝土的抗凍性和耐久性。提高施工質量，要求混凝土的配合比準確、拌和均勻、振搗密實、加強養護，注意施工縫的結合。

二是化學處理。國外在工業與民用建筑和鐵路工程中，采用了基土內加氯化鈉和氯化鈣等化學劑的辦法來降低土壤水的冰點，以減輕凍脹。但這種方法一般不能持久，鹽分將很快被滲水淋濕，特別是水工建筑物更是如此，所以目前不能大量采用。

本文根據工作中的具體實踐，對混凝土渠道凍害的機理和防治措施進行了簡單的分析。由于凍脹理論本身不成熟，又缺少足夠的觀察和必要的實驗，所以文中有些論點缺乏理論依據，有待今后進一步研究。

[1]河北省水利科學研究所.混凝土襯砌渠道防滲防凍害實驗報告[R].1980.

[2]李書民.河北省渠道襯砌凍害調查及分析[J].防滲技術,2000(4).

[3]渠系工程抗凍脹設計規范(SL 23—2006)[S].2006.