道旭灌區襯砌渠道凍脹破壞原因及對策

王書國，王書民

（1.濱州市小清河管理局，山東 博興 256500；2.濱州市簸萁李灌溉局，山東 惠民 251700）

道旭引黃灌區位于濱州市，灌區有引黃閘1座，設計流量15m3/s?？傒斏扒?1條，長1.5km，干渠3條，總長40.90km。其中總輸沙渠全斷面襯砌1.5km，南干渠兩邊坡襯砌8.36km。道旭引黃灌區始建于1969年，1993年成立濱州市道旭引黃灌溉管理局，隨著經濟發展，灌區內工農業需水不斷增加，原土渠因水利用系數小，引水歷時長、流速小、干渠淤積量大等因素已不能滿足灌區需水要求。道旭引黃灌溉管理局于2005年爭取國家灌區節水配套改造立項，該項目于2007年實施，2008年4月竣工，節水改造工程靜態總投資1988.66萬元，2009年11月經省級驗收為優良工程。

1 渠道襯砌凍害防治設計指標

1.1 總輸沙渠設計指標

總輸沙渠（0+000～1+500）為東西走向，渠道為地上梯形斷面，原襯砌邊坡較陡1：1.5，凍脹損害嚴重。按照SL23-91《渠系工程抗凍脹設計規范》：在季節凍土標準凍深大于30cm的地區襯砌渠道，必須進行抗凍脹設計。為防凍脹破壞，保留原漿砌石護底，大堤高為2.8m，渠底寬 3m，邊坡調整為 1：2.0，陰坡采用 M10漿砌塊石護坡，先鋪填10cm（0.5—1.0cm）碎石墊層，然后采用厚30cm，M10漿砌塊石覆面，沿渠12.0m設一道伸縮縫，縫寬4cm，用PT塑料膠泥填充。陽坡采用C20混凝土預制板護砌，板下鋪設復合土工膜。

1.2 南干渠設計指標

南干渠上游(1+500～9+860)為南北走向，渠道設計為地上梯形斷面，大堤高為2.8m,渠底寬為7.0m，邊坡采用 1:1.75。襯砌渠道表面采用 56cm×36cm×6cm的C20混凝土預制板作為防護層，護坡防護層下鋪設200g/m2復合土工膜，護底60cm細土下鋪設一層塑料膜（膜厚0.4mm）。渠底兩側坡腳設高60cm，M10漿砌石混凝土封頂齒墻，渠底塑膜在齒墻底部翻向渠坡，在渠坡處與復合土工膜搭接50cm,使渠道形成整體密閉式防滲體。為防止坡腳預制板與齒墻凍脹變形破壞，在預制板與齒墻之間埋設6mm的SBS防水隔膜，SBS防水隔膜為柔性材料，從而能適應一定量的凍脹變形。為防止混凝土預制板下滑，坡頂現澆厚10cm的C15混凝土壓頂。為避免不均勻沉陷造成裂縫，橫向每隔12.02m設伸縮縫一道，縫寬4cm,用PT塑料膠泥填充，漿砌石齒墻以及混凝壓頂伸縮縫內埋設雙層厚2cm瀝青杉板。縱向在兩渠坡自底向上第4行板設伸縮縫，縫寬4cm,用PT塑料膠泥填充。

2 干渠襯砌段凍脹的破壞形式和影響因素分析

2.1 凍脹破壞形式

道旭干渠襯砌段渠道運行兩年來，工程總體運行安全。2010年1月，最低溫度在-15°C以下，平均溫度在-10°C左右，冰凍期在三個月以上，超出防凍脹設計標準，在持續長期負溫下，部分襯砌段最底兩層凍脹破壞嚴重，主要是渠床基土的凍脹變形，襯砌板從齒墻中拱出，由于凍脹隆起、架空,使坡腳支承受到破壞,襯砌板墊層失去穩定平衡。春季基土融化時,與上部的襯砌板縫逐漸拉開斷裂，上部板塊順坡向下滑移,錯位,互相穿插。渠坡基土融化期的渠坡滑塌,導致坡腳處混凝土板被推開,上部襯砌板塌落下滑，對渠道襯砌造成嚴重破壞，縮短了防滲襯砌板的壽命，并大大增加了工程維修和管理費用。

2.2 凍脹破壞地段及因素

總輸砂渠采取了防凍脹工程措施，設計比降大，未發生凍脹破壞。凍脹破壞主要發生在南干渠襯砌段村莊兩側，未設置截滲溝地段，東西渠道段陰坡和渠床基土為粘壤土地段。由于工程遷占困難、地形復雜等原因，村莊兩側，未設置截滲溝，降雨、冬季引水渠底滲漏以及村民生活用水，外來水源不能及時濾出，地下水位上升，致使渠床基土含水量長期處于飽和狀態。粘壤土相對其他土質，密實度低且保水性能較好，屬凍脹性土，凍脹性土之所以凍脹是因為土顆粒間隙小，表面積大，不存在滲水網體，與水相互作用的能量也相對增大，使土體中的毛細水不易滲透，停留在土體中，在持續長時間負溫下，結冰膨脹而產生凍脹破壞。

2.3 凍脹破壞分析

襯砌渠道的凍脹破壞主要是由于渠道襯砌混凝土面板承受不住由于基土凍脹變形而產生的凍脹應力，特別是不均勻凍脹變形的作用，更造成了凍脹應力的分布不均勻，而使渠道局部襯砌的混凝土板（塊）遭到破壞，因此，襯砌渠道凍脹破壞的根本在于渠床基土的凍脹變形。綜上所述，影響渠床基土凍脹變形的基本因素有三個方面：

1）持續長時間的負溫。2）渠床基土屬凍脹性土壤，即土體顆粒分散性較大，凍結期內土壤水分遷移較為明顯，凍脹性較強的土壤。3）在橫斷面上，由于各個部位接受日照不同，凍深相差懸殊。東西向渠道段，陰陽坡面的凍深相差有時甚至可達一倍之多，因而凍脹量也相差很大。4）埋深較淺的地下水或補給充足的土壤水及毛管水。長時間的持續負溫，首先使渠床基土表面發生凍結，埋深較淺的地下水或補給充足的土壤水以及毛管水在土壤毛管抽吸力作用下，源源不斷地向渠床表層土壤凍結面遷移，致使襯砌渠道的部分混凝土板（塊）受土體凍脹隆起作用而遭到破壞。

3 防凍脹處理措施及建議

3.1 防凍脹處理措施

3.1.1 排水法

補給充足的地下水源、土壤水及毛管水為渠道土凍脹破壞的進一步發展提供了有利的條件，減少渠床土壤凍結表層的水分補給，是主要防止凍脹破壞的有效方法。1）在村莊附近無法設置截深溝地段，可在渠壩兩側縱向埋設直徑1m的滲水管。滲水管高程低于渠底1～1.5m接入截滲溝，使滲出水及時排入截滲溝。2）截滲溝接入排澇河道，使水量及時排出，降低截滲溝水位，降低水位揚壓力作用，減小渠床基土含水率，達到防止渠床基土凍脹變形的目的。

3.1.2 基土置換法

1）凍脹性土壤的存在是促使渠床基土凍脹變形的主要因素。把渠床基土凍結深度以內（至少是凍結深度的80%）的凍脹性土壤更換為非凍脹性土，如砂礫料、纖維砂袋等，可有效防渠床基土凍脹變形。2）陰坡運用工程措施防凍脹，渠底向上0.7m采用M10漿砌塊石護坡，先鋪填 10cm（0.5～1.0cm）碎石墊層，然后采用厚30cm，M10漿砌塊石覆面，從而提高防凍脹標準。3）對混凝土襯砌板下土基挖深50cm，分三層加土夯實，增加基床土體的密實度，降低渠床基土含水率，消除不均勻沉陷因素，起到防凍脹破壞作用。

3.1.3 蓄水保溫法

為降低工程造價也可采用蓄水保溫法。冬季輸水結束時，在渠道中保留一定水位的水量，隨著氣溫下降、蓄水表面凍結形成冰蓋。由于蓄水冰蓋的封閉阻隔作用，凍蓋下的水溫較為穩定，而在水位以上的部分則用保溫材料加以防護。為防止蓄水水位在蓄水期內的變化，二者應有一定范圍的重合部分。蓄水保溫法具有較好的保溫效果，但也存在一定的弊端：一是蓄水冰蓋對襯砌體的冰壓力危害，封閉的冰蓋膨脹產生的靜冰壓力，會對工程產生破壞作用。二是漫長的蓄水期必定使大量的水分由于蒸發、滲漏等有所損失，這與目前的節水形勢是相悖的。蓄水保溫法在理論上可行，但在實際操作中不易采用。

3.2 防凍脹的幾點建議

切斷或減小凍土地基在凍結前、后的水分補給是防凍脹處理常用的也是最有效方法。此外，改變渠床基土體的基本結構也是保證土體非凍脹性的一種方法。

1）制定科學合理的冬季渠道運行預案，在負溫期必須連續通水，并保持在最低設計水位以上運行。2）每年進行一次襯砌工程的裂縫修補，襯砌渠的封頂應保持完好，不允許有外來水滲入襯砌體背后。3）及時修補各種排水設施，保證排水通暢，冬季不運行渠道應在停水后及時清障，不允許渠內和排水溝內積水，降低渠床基土含水率，從而起到防凍脹的作用。4）在襯砌渠道堤岸種植喜水性樹木，用生物排水法降低襯砌渠道基土的土壤水分,對抑制渠道基土凍脹量的產生,可收到較好的效果。