灌區(qū)防滲襯砌凍脹破壞成因與防治對策研究

范 超

（山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西太原 030002）

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灌區(qū)防滲襯砌凍脹破壞成因與防治對策研究

范 超

（山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西太原 030002）

【摘 要】本文針對我國北方地區(qū)灌區(qū)防滲襯砌遭受凍脹破壞的問題，分析了防滲襯砌發(fā)生凍脹時(shí)的主要破壞形式，揭示了渠床基土凍脹是造成灌區(qū)防滲襯砌凍脹破壞的核心要素，在基土凍脹回避與置換、保溫墊層布設(shè)以及地下水排除等方面探索了灌區(qū)防滲襯砌的綜合防治對策。該研究可為灌區(qū)防滲襯砌凍脹破壞的綜合防治提供決策依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】灌區(qū)防滲襯砌；凍脹破壞；成因；防治對策

我國北方部分灌區(qū)因地處干旱寒冷的季節(jié)性凍土區(qū)，輸水渠系防滲襯砌易在凍脹作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。此外，在區(qū)域地下水位較高的灌區(qū)，防滲襯砌季節(jié)性凍脹破壞顯著，防滲襯砌功能損壞在降低渠道輸水效率的同時(shí)，為灌區(qū)的管理運(yùn)營帶來沉重的工程維修負(fù)擔(dān)，嚴(yán)重制約了灌區(qū)輸水渠系工程效益的發(fā)揮［1］。因此，有必要分析灌區(qū)防滲襯砌凍脹破壞的形式，揭示其發(fā)生凍脹破壞的成因機(jī)理，進(jìn)而探索灌區(qū)襯砌凍脹破壞的防治對策，以期為灌區(qū)防滲襯砌修復(fù)與維護(hù)管理提供有益參考。

1　灌區(qū)防滲襯砌凍脹破壞特征分析

1.1防滲襯砌凍脹破壞形式

灌區(qū)渠系防滲襯砌凍脹破壞主要包括位移、裂縫、架空隆起、斷裂、整體上抬以及滑塌六種形式。

a.位移破壞。防滲襯砌由渠道上沿往渠系內(nèi)側(cè)出現(xiàn)位移滑動(dòng)，位移距離一般為2～5cm，灌區(qū)兩拼與三拼的U形輸水渠道防滲襯砌易發(fā)生此類位移破壞。此外，由凍脹引起的渠床基土膨脹，易引發(fā)襯砌弧形板往渠系內(nèi)側(cè)位移傾斜，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土襯板結(jié)構(gòu)破壞。

b.裂縫破壞。防滲襯砌裂縫可分為橫向與縱向裂縫兩種。其中，細(xì)石混凝土或混凝土襯板間的填縫與勾縫常出現(xiàn)裂縫破壞，此時(shí)混凝土襯板間仍具備一定黏結(jié)強(qiáng)度［2］。此外，在凍脹力與凍結(jié)力共同作用下，混凝土防滲襯板常因自身拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫，從而影響襯砌防滲效果。

c.架空隆起破壞。輸水渠系混凝土防滲襯板在遭受凍脹基土抬升時(shí)，將出現(xiàn)明顯垂向隆起并發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞［3］。同時(shí)，在區(qū)域地下水位過高的輸水渠段，渠底基土含水量與凍脹量較大，從而對渠系防滲襯砌造成頂托架空破壞。

d.斷裂破壞。部分混凝土防滲襯砌在遭受劇烈凍脹作用時(shí)，將沿渠系橫向、縱向或斜向發(fā)生斷裂破壞。

e.整體上抬破壞。部分輸水渠系渠深與渠道斷面較小，防滲襯砌與渠床基土凍脹受力整體性較強(qiáng)，易引發(fā)防滲襯砌的整體上抬破壞。同時(shí)，由于渠周基土的不均勻沉陷，發(fā)生整體上抬破壞的防滲襯砌無法在凍土融化時(shí)恢復(fù)原位，從而加劇了灌區(qū)防滲襯砌的凍脹破壞。

f.滑塌破壞。在輸水渠道渠坡部位，防滲襯砌常在襯板隆起后脫離支撐體而發(fā)生滑塌破壞。凍脹作用造成防滲襯砌架空隆起，破壞墊層穩(wěn)定性，進(jìn)而引發(fā)上部襯砌板塊滑塌疊壓［4］。此外，在渠坡凍土融化時(shí)，易誘發(fā)渠坡滑塌，從而造成防滲襯板的滑塌破壞。

1.2防滲襯砌凍脹破壞影響要素

造成灌區(qū)防滲襯砌凍脹破壞的要素主要包括渠床基土土質(zhì)、渠底地下水位、渠系走向布置以及防滲襯砌結(jié)構(gòu)與材料特性。

a.渠床基土土質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)渠床基土土質(zhì)屬飽和粗顆粒土，且粒徑大于0.1mm時(shí)渠床基土基本不發(fā)生凍脹作用。當(dāng)渠床基土粒徑小于0.05mm時(shí)，土體中水分遷移量較大，土體凍脹性較強(qiáng)，易在土壤中形成冰透鏡體而構(gòu)成凍土層，此時(shí)的渠床基土屬強(qiáng)凍脹類土體［5］。此外，在渠床基土中粒徑0.002～0.05mm顆粒土質(zhì)含量大于50%時(shí)，基土易發(fā)生凍脹作用，即土體整體粒徑越小，基土凍脹性越強(qiáng)。

b.渠底地下水位。過高的渠底地下水位易誘發(fā)渠系基土凍脹破壞，當(dāng)?shù)叵滤宦裆钚∮诨羶錾钆c土壤毛細(xì)水上升高度之和時(shí)，渠床基土易發(fā)生凍脹作用。針對均質(zhì)基土渠床，當(dāng)凍土期內(nèi)地下水位低于渠底時(shí)，基土凍脹程度由上而下逐步降低；當(dāng)冬季渠道輸水或地下水位高于渠底時(shí)，渠床基土凍脹程度整體較低，最大基土凍脹區(qū)位于行水面之上區(qū)域。此外，季節(jié)性灌溉引發(fā)的周期性地下水位抬升，易誘發(fā)渠床基土發(fā)生凍脹，從而破壞渠系防滲襯砌。

c.渠系走向布置。灌區(qū)輸水渠系走向布置不同，渠坡接受日照強(qiáng)度與時(shí)間也不盡相同，從而決定了渠系斷面各部位凍脹程度的大小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，東西走向布置的渠系，渠坡凍脹深度差異性較大，渠系陰坡中上部凍脹程度較高，陽坡中下部凍脹程度較低。南北走向布置的渠系，渠坡凍脹程度由渠頂至渠底逐步發(fā)展，即渠頂凍脹程度大，渠底凍脹程度?。?］。總之，渠系走向影響渠坡與防滲襯砌的凍脹破壞程度。

d.防滲襯砌結(jié)構(gòu)與材料特性。不同防滲襯砌材料與布置結(jié)構(gòu)適應(yīng)凍脹破壞水平不同。目前，渠系防滲普遍采用拋物線形、U形、梯形等襯砌結(jié)構(gòu)，并采取混凝土、土工布、漿砌石、塑料膜等襯砌材質(zhì)，優(yōu)選合適的防滲襯砌結(jié)構(gòu)與材料可增強(qiáng)襯砌的抗凍脹耐久性。

2　防滲襯砌凍脹破壞防治對策

2.1回避基土凍脹

灌區(qū)渠系的選線應(yīng)盡量回避粉質(zhì)土、黏土等強(qiáng)凍脹性土質(zhì)區(qū)域，宜將渠道布設(shè)在不易凍脹且透水性較好的沙礫石土質(zhì)地段。同時(shí)，渠系的選線應(yīng)避開地下水位較高地段，將渠床基土凍結(jié)層限制在地下水毛細(xì)上升高度之上。此外，可將渠系布置在地勢較高地帶，同時(shí)可在田間與渠系間布置排水溝，以防止渠系滲漏對渠床基土與地下水的補(bǔ)給。針對部分地勢起伏過大地帶，可將輸水渠系深埋至基土凍脹層之下，并采取暗管或暗渠形式輸水，以回避基土凍脹。

2.2置換渠床基土

針對渠床基土凍脹性強(qiáng)且沙礫石豐富的區(qū)域，可將強(qiáng)凍脹性基土置換為沙礫石等弱凍脹性材料，從而降低渠床基土含水量，弱化基土凍脹造成的防滲襯砌破壞作用。在渠床基土土層較薄且地下水位較低的區(qū)域，可采取全部開挖清除置換的方式，重置渠床沙礫石墊層。在墊層存在隔水層且地下水位較高的區(qū)域，應(yīng)設(shè)置排水并保證置換層厚度超過原始基土凍脹深度［7］。此外，應(yīng)合理確定置換墊層顆粒級配并保障置換材料的純凈度，同時(shí)設(shè)置反濾層以防止細(xì)沙流失。

2.3設(shè)置襯砌保溫墊層

可在渠系防滲襯砌下設(shè)保溫墊層，以削弱或阻止外界與渠床基土的熱量交換，維持基土溫度，從而在降低基土凍脹深度的同時(shí)，防止襯砌發(fā)生凍脹破壞?？刹捎镁邆淠透g、不透水的聚苯乙烯保溫隔熱材料布置于渠床基土上，形成保溫墊層，之后在保溫墊層上實(shí)施防滲襯砌施工，以增強(qiáng)襯砌抵御凍脹破壞的能力。

2.4實(shí)施渠道基礎(chǔ)排水

控制渠床基土含水量、排除渠道基礎(chǔ)滲水，是防止渠道基礎(chǔ)發(fā)生凍脹破壞的有效措施，可通過控制水分入滲補(bǔ)給、增強(qiáng)渠道基礎(chǔ)透水性來及時(shí)排除土體水分?？稍谳斔祪蓚?cè)布設(shè)排水溝槽，并保證排水溝底低于渠底面50cm以上，以確保渠床基土排水順暢。同時(shí)，可在渠系沙礫石基礎(chǔ)墊層中布置排水管孔，排出渠旁田間滲水。此外，可在灌區(qū)地勢低洼區(qū)域開挖機(jī)井抽取地下水實(shí)施灌溉，實(shí)施排灌結(jié)合，在減少灌區(qū)引入外來水資源量的同時(shí)，有效降低區(qū)域地下水位，減少地下水對渠道基礎(chǔ)土體的補(bǔ)給量，從而通過控制渠道基礎(chǔ)土體含水量，降低防滲襯砌遭受凍脹破壞的威脅。

2.5優(yōu)化防滲襯砌結(jié)構(gòu)與材料

可通過優(yōu)化防滲襯砌結(jié)構(gòu)、采用抗凍材料來提升襯砌對凍脹變形的適應(yīng)性。應(yīng)在保障渠系輸水排沙能力的基礎(chǔ)上，選擇合理的防滲襯砌支撐結(jié)構(gòu)斷面型式，通過調(diào)整凍脹作用方向來降低凍脹破壞程度。傳統(tǒng)采用的矩形斷面與平底梯形斷面渠道，易發(fā)生渠坡傾斜、渠底襯砌隆起以及襯砌彎折等破壞現(xiàn)象。同時(shí)，漿砌石襯砌在凍脹作用下易與基土分離，并發(fā)生滑塌破壞，而混凝土襯砌因抗拉強(qiáng)度較低，易在凍脹作用下產(chǎn)生開裂。因此，可選取抗凍脹性能更好的弧形混凝土襯砌斷面，在發(fā)揮圓弧拱受力優(yōu)勢的同時(shí)，充分利用混凝土抗壓能力強(qiáng)的特征［8］。此外，可在防滲襯砌中采取加肋結(jié)構(gòu)，采用柔性止水材料并設(shè)置合理的分縫止水，從而綜合提升防滲襯砌的抗凍脹變形能力。

3　結(jié) 語

本文在分析灌區(qū)防滲襯砌位移、裂縫、架空隆起、斷裂、整體上抬以及滑塌等凍脹破壞形式的基礎(chǔ)上，揭示了渠床基土土質(zhì)、渠底地下水位、渠系走向以及襯砌結(jié)構(gòu)與材料是決定防滲襯砌抗凍脹耐久性的主要影響要素。同時(shí)，探索了實(shí)施基土凍脹回避、渠床基土置換、保溫墊層設(shè)置、渠道基礎(chǔ)排水以及防滲襯砌結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化等措施應(yīng)遵循的原則。然而，灌區(qū)防滲襯砌凍脹破壞是多要素耦合作用的結(jié)果，應(yīng)在合理采用上述工程措施的同時(shí)，完善灌區(qū)灌排制度，控制灌區(qū)地下水位，以綜合防治防滲襯砌凍脹破壞的發(fā)生?！?/p>

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DO l:1O.16616/j.cnki.11-4446/TV.2O16.O2.O19

Research on causes and Prevention countermeasures of seePage control lining frost heave damage in irrigation area

FAN Chao
（ShanxiWater Resources&HydroPower Construction SuPervision Co.，Ltd.，Taiyuan 030002，China）

Abstract：Main damage forms of frostheave on seepage contro11ining are ana1yzed aiming at frostheave damage prob1em on seepage contro11ining in irrigation area at North China.It is revea1ed that channe1 bed base soi1 frost heave is the core factor to cause seepage contro11ining frost heave damage in irrigation area.Comprehensive prevention countermeasures of seepage contro11ining in the irrigation area are exp1ored in the aspects of base soi1 frost heave avoidance and rep1acement，heat insu1ation cushion 1ayout，underground water drainage and other aspects.The research can provide decision-making basis for comprehensive1y contro11ing seepage contro11ining frost heave damage in irrigation area.

Key words：irrigation area seepage contro11ining；frost heave damage；cause；prevention countermeasures

中圖分類號：TV672＋.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1005-4774（2016）02-0072-03