寒冷地區渠道混凝土凍脹破壞的原因及防治措施研究

沙吾列提汗·對山拜

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

大多數北方地區的凍結期較長，一般為十一月底開始，至四月結束，凍結期一般為3個月，部分地區可長達半年，在負溫條件下，土壤在表層開始凍結，并隨著寒冷的凍結期持續的向下發展，凍深可達100 ～150 cm，使各種建筑物都遭受嚴重的凍害，其中以輸引水渠道為代表的水工建筑物最為嚴重。

渠道凍脹的破壞表現為渠道架空、隆鼓、渠道坡板斷裂、渠道整體上抬變形等，引起渠道滲透破壞。近年來，在渠道設計中，采用鋪層土工膜進行復合式渠道襯砌，使渠道具有較好的抗滲、排水、抗拉性能，從而適應了渠道凍脹的變形，具有較好的防滲防脹效果[1-2]。本論文以新疆某灌區渠道工程為例，分析了寒區混凝土渠道凍脹破壞的機理，對于干旱寒區廣大灌區就提高灌區輸水的有效利用率具有實際意義。

1 凍脹破壞的機理及相關因素

1.1 基土含水率對凍脹的影響

基土土體中的水分遷移及對土體的凍脹力大小，受渠道基土所在地區位置的溫度、環境等影響。通常情況下，如果基土中的初始含水量超過凍脹最低含水量時，渠道所受到的法向凍脹力會隨著基土中的初始含水量大小而變化，通過大量的研究和實測數據可知，在特定溫度下條件，當基土中的初始含水量超過凍脹最低含水量時，基土即出現凍脹。根據灌區實測資料顯示[3]，當渠道停止行水后，渠床底100 cm內基土的含水率約為26.5%～29.8%，遠超過凍脹最低含水率。

1.2 土質類型對凍脹的影響

在特定的溫度和水分條件下，土質的成分和組成會影響凍結過程中水分的補給和遷移，通常粒徑在2 mm以上的砂礫由于孔隙較大所以導水通暢，一般不存在毛細管作用，當基土凍結時基本無法幫助水分進行補給和遷移。但如果基土土質為粒徑0.050～0.005 mm的粉質黏土，由于其導水通暢，同時表面吸附能力強，并且有很好的保水性。所以其產生強烈的毛細管作用，粉礫黏土是凍脹最為敏感的土類之一[4]。通常情況下，對于凍脹越敏感的土質，所產生的法向凍脹力也越強烈，在同一環境下，不同土質所產生的凍脹力由大到小的順序依次為：粉質土、亞砂土、亞黏土、黏土、細砂、粗砂。

1.3 地下水位對凍脹的影響

大量的試驗表明，在特定的環境和土質下，凍脹強度與地下水位呈雙曲線變化，目前我國西北部已建立了大量的凍脹試驗廠，以便實地觀察地下水位對于凍脹率的影響。以下為張掖試驗廠對于不同土質和地下水位的函數關系表達式(1)～(3)[5-6]。

土質為細砂時：

(1)

土質為砂壤土時：

(2)

土質為壤土時：

η=60.5e-0.0146 hw， 系數r=0.883

(3)

式中：η為凍脹率，%；hw為地下水位，m。

綜上可知，地下水位的高度通過影響負溫環境下地下水份向凍結冰鋒遷移狀態，從而影響渠道基土的凍脹強度。通過試驗研究和實踐證明，在同一渠道不同測點，地下水位越高的測點其凍脹變化越大；地下水位越低的測點，其凍脹變化越小。實際的觀察現象表現為，同一位置內，渠坡測點相較于渠底測點的凍脹變化較小，并且從下至上變小。

2 以渠道為原型的有限元模型分析

2.1 渠道工程概況

新疆北疆某灌區屬大陸性氣候地區，地區氣候干燥、雨量稀少，冬季寒冷，年平均溫度為9.0～11.0 ℃，年最高溫度約為42.2 ℃，年最低溫度約為-28.9 ℃，每年12月底為凍結期，開春2月底為解凍期，年均0 ℃以下溫度期長達80 d。該灌區引水渠道長約1500 km，采用C15混凝土襯砌，厚度為80 mm，渠坡角為45°，取渠道基土為粉質壤土，取土質干密度為1.4 g/cm3，圖1 為該原型渠道的橫向截面圖及尺寸。

圖1 渠道截面示意圖(單位：m)

表1～表2為原型渠道的各測點溫度和凍結統計數據。

2.2 建立模型

根據表1～表2列出的測量數據，假定模板邊界溫度為各測點平均最低溫度，陰坡基土邊界為69 cm處，陽坡基土邊界為44 cm處，渠底由69 cm 處直線過渡到44 cm處，通過簡化，假設渠道襯砌板與基土為一個整體，并自由網格化建立有限元模型，得到圖2共1873個單元。

表1 渠道凍結統計

表2 渠道測點數據

圖2 渠道有限元網格圖

2.3 計算過程

(1)溫度計算。將表1中的各測點月最低溫度代入渠道表面及渠道地面為上邊界條件，將結冰溫度0 ℃代入凍深處為下邊界條件，轉換為熱分析單元進行模擬求解，得到圖3的溫度場結果。

圖3 溫度場結果圖

(2)位移應力計算。經過上述溫度計算后，將模型單元類型轉換為結構靜力單元進行模擬求解，將模型下邊界橫向設置Y軸約束，將模型下邊界縱向設置x軸約束，模型上邊界無約束力，代入上述溫度計算結果進行模擬求解，得到圖4的位移和應力圖5。

圖5 應力場變化結果

2.4 分析結果

由于渠道受陽光日照的影響，渠坡形成了陰坡和陽坡，導致兩坡存在分布溫差，從圖4溫度場結果圖可知，兩坡的溫度分布規律基本一致，但陽坡的溫度梯度小于陰坡，所以導致陽坡凍結深度較小。

圖4 位移場和變形結果

從圖5可知，陰坡較陽坡的位移場偏大，而渠道底最小。在凍脹力的作用下，存在渠道整體上移且偏向陽坡的現象。主要原因是陰坡與陽坡存在溫差，導致陰坡的凍結深度大于陽坡，同時受到渠道襯砌和渠道底基土的約束，從而發生整體上抬且偏向陽坡的現象。

從圖6可知，兩坡與渠底連接處存在應力集中的情況，同時渠道地面與兩坡的連接角也存在較大的應力。兩坡底自下而上存在等效應力集中，且陰坡較陽坡偏大，這是因為受日照方向的影響，同時地下水位越高的位置其凍脹變化越大。而地下水位越低的位置，其凍脹變化越小，反應至渠道原型則導致渠底和渠坡自下而上三分之一處容易發生凍脹破壞，其中渠坡與渠底連接處破壞最為嚴重，以上分析證實了渠道實際的測點情況，與實際情況相符。

3 針對性防治措施

因此，基于上述得出的渠道凍脹破壞的機理和影響因素，本文認為可以從下列幾點措施進行防治。

3.1 基土置換

前述已知，不同土質對于凍脹敏感性不同，越敏感的土質所產生的法向凍脹力越大，在同等環境條件下，越敏感的土質越容易出現凍脹破壞，且破壞力越大。所以，對于基土凍脹敏感性高的渠道土體，可采用基土置換的方式來減少渠道所遭遇的凍脹破壞。基土置換法即通過置換回填的方法把渠道原凍脹敏感性土質重新置換為凍脹敏感性低的土質，常見的低敏感性土質有砂卵石、風積砂等，上述填料可以減少在負溫條件下地下水份向凍結冰鋒面遷移和補給，從而降低凍脹破壞。

3.2 阻斷法

阻斷法是指在渠道襯砌前為渠底鋪設防水隔熱材料，其原理是通過防水隔熱材料減輕和隔絕來自上方渠道面的受感負溫，同時隔絕地下水對土質的水份補給和遷移，從而減輕渠道基土凍脹情況發生。從20世紀80年代開始，伴隨著我國的化工行業的飛速發展，由聚苯乙烯制成的泡沫材料由于重量輕，保溫隔熱性好，防水等特點，現廣泛應用于建筑工業等領域，目前新疆地區的渠道建設中已大范圍使用。泡沫材料鋪設厚度應根據熱工計算，通常取凍脹深度的10%為鋪設厚度。

4 結 論

文章以某新疆北疆某灌區渠道工程為研究對象，以渠道凍脹破壞的原因為研究問題，通過渠道凍結數據為關鍵信息，基于有限元模型分析，結果表明:渠坡陰陽兩坡存在分布溫差，從溫度場分析圖得出兩坡的溫度分布規律基本一致，但陽坡的溫度梯度小于陰坡，所以導致陽坡凍結深度較小；陰坡較陽坡的位移場偏大，而渠道底最小，且在凍脹力的作用下，存在渠道整體上移且偏向陽坡的現象；兩坡與渠底連接處存在應力集中的情況，同時渠道地面與兩坡的連接角存在較大的應力；兩坡底自下而上存在等效應力集中，且陰坡較陽坡偏大。反映至渠道原型則導致渠底和渠坡自下而上三分之一處容易發生凍脹破壞，其中渠坡與渠底連接處破壞最為嚴重，與實際情況相符。因此，在渠道設計階段，對易發生凍脹破壞部位的結構強度可適當加強。