揚黃渠道凍脹破壞的原因及預防措施研究

王緒存，吳 榮，于國興，晁 海，丁良杰，楊 軍，張建榮

（寧夏回族自治區固海揚水管理處，寧夏中寧 755100）

0 引 言

固海揚水渠道是寧夏建設最早規模最大的提水灌溉渠道，首級泵站從中寧縣泉眼山黃河南岸抽取黃河水，沿途經過十幾級泵站逐級揚水至固原市原州區，灌區農業灌溉面積和補灌面積共計11.256 萬hm2。為中南部貧困山區群眾的脫貧致富起到了巨大的推動作用。

固海揚水干渠是混凝土板襯砌的梯形渠道，部分挖方段渠道兩側高地均為農田，渠道基土含水量大，導致混凝土板的填縫混凝土出現開裂、混凝土板隆起、板間架空、混凝土板錯位、滑塌等凍脹破壞現象比較嚴重。據統計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象約占渠道破壞總數的82%，局部邊坡混凝土板整體滑塌不能正常輸水的現象時有發生。

許多學者對旱寒區渠道襯砌工程的凍脹破壞進行大量研究，王正中等［1］從工程力學和水—熱—力耦合的數值模型研究凍融破壞機理和抗凍脹技術；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土壤的凍脹；薛珂等［5］、肖旻等［6］從地下水位補給和遷移研究凍脹破壞；姜海波等［7］、劉月等［8］研究水分遷移與相變規律對土體的凍脹；王正中等［9］、唐少容等［10］對弧底梯形渠道和U型渠道的凍脹變形進行研究；張棟等［11］利用保溫材料復合襯砌結構研究凍脹；馮有亭等［12］利用膨脹土防滲毯進行渠道防凍脹試驗；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行了系統研究。目前，防凍脹治理形成多樣化的發展趨勢，出現渠道防凍脹的各種措施。本文在借鑒他人研究的基礎上，采用毛細透排水帶［14，15］與排水管相結合的排水措施，降低渠道基土中的地下水，并對渠道基土的含水量與渠道混凝土板凍脹量之間的關系進行研究，達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

本次改造試驗段為固海二干渠（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。并且渠道兩側的高地均為農田，季節性灌溉用水補給地下水和受到清水河的影響該段渠道的地下水位較高，渠道凍脹破壞嚴重。

表1 渠道土壤的顆粒級配 %

1.1 襯砌渠道破壞的特點

原渠道為1∶1.5 邊坡的梯形渠道，混凝土預制板襯砌，板縫間采用細石混凝土填縫。渠道長期運行過程中混凝土板受季節性凍脹融沉循環的影響造成破壞。隨著渠道運行年限的增長，渠道滲漏量增大，農田灌溉水的下滲，土體中的含水量增大，加劇了襯砌板凍脹破壞的發生。從出現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，發展到混凝土板滑塌，最后失去防護作用，都是凍脹破壞的結果。

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行年限的增加越來越嚴重，在運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。一是渠道土體在負溫和正溫交替作用下產生凍脹融沉，混凝土板間的填縫混凝土在上抬和回落過程中發生不均勻抬高和沉降產生裂縫，并在凍融循環中裂縫逐漸擴大；另一種是渠道在施工過程中，混凝土板與現澆的填縫細石混凝土間有細小的干縮裂縫，在渠道運行中水分從裂縫進入到混凝土板后，到冬季水分無法及時排出形成凍脹裂縫。

（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大，有更多的水和泥沙進入到混凝土板后，基土的含水量增大，在基土凍結后混凝土板不均勻抬高，填縫間的細石混凝土斷裂；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；在渠道消融時，由于陽光的照射，混凝土板后的泥土首先消融形成一層泥水潤滑層，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生位移。

（4）混凝土板滑塌。渠道混凝土板的下滑位移達到一定的程度后，上部的混凝土板完全脫離下部混凝土板的支撐點向下滑動，使上下層混凝土板之間發生錯位、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

渠道混凝土板發生凍脹破壞具體表現為以下幾點：①基土的土質類型是發生凍脹的主要因素，土質中細小顆粒含量決定著基土凍脹量的大小。②渠道凍結期間，基土內水分在毛細管作用和土壤內溫度梯度的共同作用下，水分向凍結深度范圍內的鋒面上遷移積聚，并在鋒面范圍內凝結成冰，體積增大使基土產生凍脹。③相同條件下渠道土體的凍脹量遠大于混凝土板的凍脹量，基土凍脹體積增大，導致混凝土板被動抬升，底部混凝土板在抬升中受兩側邊板的約束產生拉應力；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出壓應力，邊坡上部的混凝土板呈現拉應力，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象。④混凝土板的上抬和位移釋放了混凝土板結構上的凍脹力，混凝土板及基土受力狀態得到調整，混凝土板與基土之間的凍結遭到破壞，受力狀態重新分布達到新的平衡。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、錯位直至滑塌失去防護效果。⑥對于深挖方渠道，由于農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，導致渠坡混凝土板下的基土處于飽和狀態，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、含水量、地下水埋深、地溫梯度的變化、凍土深度、渠道襯砌結構形式等有關。

（1）渠道的基土。該段渠道建在清水河的二級階地上，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，土壤凍結期水分遷移劇烈，土壤在凍結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，最優含水率為16.53%。

（2）地下水位。該段的地下水位隨季節變化而變化，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業灌溉周期變化影響，在每年3-4月份，地下水位的埋深最深為6～9 m，8-11月份因農田灌溉面積大、灌溉較為集中，同時降雨量增加，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束，土壤封凍。

3 渠道襯砌混凝土板破壞的防治

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

3.1 渠道襯砌斷面型式

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

采用圓弧底梯形復合斷面的襯砌結構與原梯形斷面的混凝土板襯砌結構相比較，有以下幾個優點：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力都比較均勻，因圓弧的受力特點，圓弧段的襯砌板受到的法向力和切向力最終都產生軸向壓力向兩側及邊坡板傳遞，使得底部受力和產生的變形都很小，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 邊坡更利于邊坡穩定。

3.2 渠道排水材料的應用

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毛細透排水帶和渠底埋設排水管相結合的措施排除地下水。毛細透排水帶近年來在壩體下游坡面反濾層的排水系統，公路、鐵路隧洞外邊坡襯砌排水，垃圾填埋場滲濾液導排系統的優化排水和高寒區鹽堿地改良排水等方面得到廣泛的應用。毛細透排水帶是一種軟質塑料薄片，厚度約2 mm，寬度在20～30 cm 不等，毛細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，每個圓孔下方開有約0.3 mm的窄槽與圓孔相連。這種圓孔與窄槽形成吸排水結構具有水的毛細管的毛吸力、虹吸力、表面張力和重力的共同特性，形成了毛細透排水帶特有的排水體系。

在渠道邊坡上將毛細透排水帶開口向下鋪設，毛細透排水帶中0.3 mm寬的窄槽與土壤接觸時，土壤中的水分在毛細管的毛吸力作用下，將水吸入窄槽并進入圓形導流管，水進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流管流向渠道底部的排水管；導流槽中的水流向排水管后，滯留在導流槽內的水又形成壓差（渠道坡面導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系統。土壤中的水進入排水帶，但土壤顆粒在重力的作用下與水分離，不會進入排水帶，因此不會影響渠堤的穩定，且排水帶為軟質塑料埋入地下不受地形條件的約束。

3.3 毛細透排水帶的布置

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 埋設一道寬20 cm 的毛細透排水帶，排水帶從渠道邊坡一直鋪設到渠道底部，在底部中心線相應位置鋪設DN110PVC 排水管，在排水管側壁開槽與毛細透排水帶一端相連，開槽長度與毛細透排水帶的寬度相同，將毛細透排水帶伸入PVC 排水管側壁的槽中，并在排水管上固定。土體中的水分通過毛細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段上部襯砌結構型式與（型式一）相同，不同之處是土體中沒有鋪設毛細透排水帶（型式二）。對兩種襯砌型式（型式一設置排水帶排出地下水，型式二沒有排地下水）的渠道進行觀察、對比，以便更好地對渠道凍脹破壞進行預防治理。

3.4 渠道觀測設備的布置

（1）氣溫和地溫觀測。試驗區的氣溫采用自動測溫進行記錄。地溫的觀測采用在渠道邊坡和底部埋設地溫傳感器進行測溫，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一次。渠道改造段埋設的地溫觀測點布置見圖3。

圖3 渠道地溫測量點位置布置圖

（2）土壤含水量和凍深觀測。土壤含水量和凍深分別在凍結的3個階段進行測試，采用鉆孔取樣法對渠道的陰坡、陽坡和渠底分別取3組土樣（直徑10 cm，取土深度20～80 cm）。

（3）觀測點的布置。在渠道的4+600、4+750、5+100 三個斷面布設觀測設備對地溫進行觀測。考慮到渠道凍脹過程的非均勻性，陰、陽坡面凍脹量的差異，在每一斷面沿橫斷面方向設置五個測點，分別設置在兩側坡面坡長1/2 處，圓弧段與坡面的交匯處和底部中點。

4 試驗結果分析

4.1 氣 溫

氣溫采用試驗區氣溫自動氣象站記錄的氣溫數值，氣溫自2018年11月12日固海灌區的改造段出現負溫開始，到2019年3月26日灌區的負溫消失結束，總計測溫天數為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 ℃，在整個觀測期內出現負溫的天數為88 d。

4.2 渠道地溫

對渠道3 個觀測斷面五個測點不同深度的地溫進行觀測，地溫的最低數值在1月18日測得（各觀測點最低地溫見表2）；陽面坡地溫最后回升的測點2 和陰面坡地溫最后回升的測點4，兩側點分別在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 渠道觀測斷面不同深度的最低地溫表 ℃

從地溫的觀測數值看到，渠道陽坡混凝土板60 cm 以下基土的最低平均地溫全部在0 ℃以上，陰坡最低地溫相對低一些。地溫的高低與灌區氣溫和渠道陰、陽坡面陽光的照射有關。從觀測的日平均氣溫與地溫相比較，地溫從長期看受氣溫變化的影響，但氣溫與地溫的關聯度不是很緊密，地溫的變化比當地氣溫的變化遲1～3 d。

按照土壤0 ℃為結冰臨界點，根據觀測的不同深度的平均最低地溫，利用內插法計算土壤結冰臨界點的具體深度見表3。

表3 觀測渠道斷面地溫計算各測點的最大凍深 cm

計算得渠道陽面坡的平均凍深為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日用鉆芯取樣測得各測點的最大凍深見表4。

表4 渠道鉆芯取樣測得斷面的最大凍深 cm

凍結期的鉆芯取樣測得渠道陽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計算值偏小，是因為土壤地質的差異和在鉆芯取樣時對凍結的冰晶透鏡體產生擾動導致有測量誤差，但總體結果和測量地溫計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，分三次對渠道邊坡和渠底的20～50 cm和50～80 cm范圍內的基土取樣，測量基土中的含水量，鉆芯取土樣的斷面與測溫的斷面位置相對應，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量土壤含水量。第一次在11月29日冬灌結束，渠道水已全部排空還未凍結時取樣。第二次在1月18日土壤全部凍結，氣溫接近全年度最低時取樣。第三次在4月6日氣溫和地溫全部回升到0 ℃以上，渠道春灌上水前進行取樣。

表5 渠道觀測斷面含水率 %

4.4 土壤含水量比較

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

表6 渠道埋設毛細透排水帶基土平均含水率降低的百分比 %

從試驗段渠道各測點含水率的降低值來看，渠道埋設毛細透排水帶的基土和沒有埋設毛細透排水帶基土中的平均含水量比較，含水量在渠道凍結前、凍結期和全部融化后的最大值分別降低了21.4%、14.7%和27.9%，說明毛細透排水帶的埋設能有效降低渠道基土中的含水量。

4.5 渠道凍脹量的觀測

（1）在渠道秋季施工時，分別4+500、4+650、4+800、5+000、5+100 段渠道的上板沿、現澆圓弧段與坡面板結合處的板沿和渠底分別設置高程和開口寬度觀測標點，每個斷面共設置5 個觀測標點。采用四等水準閉合測量方法對標點的高程進行測量，用鋼尺測量標點渠道開口和圓弧段開口寬度值。

在2018年11月23日冬灌停水后對各個斷面設置的觀測標點進行校對，確認無誤后作為初始點進行控制測量。按照最低氣溫和時間的不同，分四次對渠道的凍脹量進行測量比較值見表7。

表7 渠道各階段測量高程數值與原數值比較值 mm

（2）渠道控制點的高程差值，在冬灌停水的凍脹初期（12月20日）埋設毛細透排水帶與沒有埋設毛細透排水帶的平均高程差相差5.9 mm。從1月18日和2月20日的兩組測量數據可看出，有排水設施的平均高程差為18.8 mm，無排水設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行測量，沒有排水的渠道高差變化比鋪設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之間的距離）。

在冬灌停水初期和12月20日實測渠道的開口，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日實測的渠道開口，埋設毛細透排水帶的渠道開口與沒有埋設毛細透排水帶的渠道開口之間最大相差31 mm，平均相差20 mm。說明采用毛細透排水帶對控制渠道開口凍脹的內縮有一定作用。

根據實測各測量點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、陽坡的凍脹深度不同，采用內插法計算陰坡和陽坡的水平凍脹量，由此計算出來的陰坡和陽坡各點的法向凍脹量如表9所示。

表9 渠道觀測斷面的最大法向凍脹量 mm

渠道陽坡埋設毛細透排水帶的平均法向凍脹量比沒有埋設毛細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%。利用毛細透排水帶排除渠堤基土中的地下水，對預防渠道混凝土板的凍脹破壞效果顯著。

5 結 論

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

表8 渠道各階段距離測量數值與原數值比較 mm

（1）通過對渠道基土的地溫測量、凍深的測量和推算、含水量的實測和渠道斷面凍脹量的觀測，提出造成渠道凍脹破壞的關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。采用毛細透排水帶排除地下水，含水量在渠道凍結前、凍結期和全部融化后的最大值分別降低了21.4%、14.7%和27.9%，對應渠道的陽坡、陰坡和渠底的最大法向凍脹量分別降低了74%、79%和50%。說明毛細透排水帶應用到基土含水量高的渠道對預防凍脹破壞效果顯著。

（3）渠道基土中鋪設的毛細透排水帶由于開口向下鋪設，水分和土體顆粒自動分離，渠堤土體排水不會對坡面的基土產生擾動，可保持渠堤的長期穩定。

（4）經過3年的運行，埋設毛細透排水帶和排水管的渠道，混凝土襯砌板未出現凍脹破壞的跡象，表明采用毛細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。