剛性護(hù)面渠道凍脹破壞分析與防治技術(shù)

常玉榮　劉燕楠　汪思佳　王越　李丹

摘 要：利用襯砌渠道減少引水漏水損失，提高灌區(qū)水資源利用效率，對(duì)農(nóng)牧業(yè)發(fā)展具有特別重要的意義。但是，在我國(guó)寒冷地區(qū)，渠道襯砌工程一般都有嚴(yán)重的凍害。針對(duì)季節(jié)性凍土區(qū)襯砌渠道凍脹破壞的問題，本文提出了有效的防凍技術(shù)措施，為多年凍土區(qū)襯砌渠道的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：襯砌渠道;凍脹破環(huán);凍土區(qū)

0 前言

渠道是從原地面開挖或挖填并舉的方式建成的輸水工程。通道的建設(shè)將改變?cè)纪寥赖臏囟龋瑵穸群蛻?yīng)力場(chǎng)。基土中的空隙水受外界溫度的影響，產(chǎn)生季節(jié)性凍脹和融沉，使得坐落在土基上襯砌物，受到種種動(dòng)力作用而產(chǎn)生不同部位、不同形式、不同程度的破壞，造成襯砌物的鼓起、錯(cuò)位和滑移，施工縫和膨脹縫開裂，填料無(wú)效，渠道防滲功能部分喪失。由凍脹和融沉引起的殘余變形將逐年增加，直到總使用價(jià)值喪失。所以如何設(shè)法減少或消除河床基土的凍脹性，則是設(shè)計(jì)者需要解決的問題。

1 剛性護(hù)面渠道凍脹破壞成因分析

（1）土質(zhì)條件

當(dāng)渠床為粗顆粒土?xí)r，一般凍脹量很小。當(dāng)襯砌適應(yīng)不均勻凍脹變形能力較強(qiáng)時(shí)則凍脹破壞不會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)渠床為細(xì)顆粒土，特別是粉質(zhì)土?xí)r，當(dāng)含水量較大且有地下水補(bǔ)給時(shí)，則很大的凍脹量將會(huì)產(chǎn)生;當(dāng)渠床上采用混凝土或漿砌石等適應(yīng)變形能力較小的剛性襯砌時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生凍害破壞。在有地下水補(bǔ)給條件下，渠床的最大凍脹量分別達(dá)43 cm和41 cm，在強(qiáng)凍脹土地區(qū)，若不采用消除或削減凍因措施，既使采用適應(yīng)凍脹變形能力強(qiáng)的柔性砌村也難免受凍害破壞。

（2）水分條件

土體中的含水量的多少是引起土體凍脹的關(guān)鍵因素。土體是否發(fā)生凍脹，含水率都有一個(gè)界限，即為起始凍脹含水率。只有超過這個(gè)界限后，土中水相變成冰體積膨脹才能產(chǎn)生土體凍脹，當(dāng)土中含水率小于起始凍脹含水率時(shí)，存在于土顆粒空隙中的水是“凍而不脹”，其原因是在這種含水率的情況下，水相變成冰，體積膨脹填充了土的孔隙，地表層并不顯示隆起。由于渠床土體水分狀態(tài)是決定襯砌物是否發(fā)生凍脹破壞的重要因素，所以混凝土預(yù)制板襯砌（或現(xiàn)澆混凝土板襯面）裂縫多發(fā)生在靠近坡腳和坡底。

（3）外界負(fù)溫

外界氣溫是引起土體凍脹的外界條件，土壤的凍結(jié)伴隨著土中溫度的變化過程。負(fù)氣溫通過與土體的各相介質(zhì)的熱交換，使得土體溫度下降。每一種土質(zhì)都有各自的起始凍結(jié)溫度，土的凍結(jié)溫度與土顆粒分散度、礦物成分、含水量以及水溶液濃度有關(guān)。隨著含水量的增大土壤凍結(jié)溫度會(huì)隨之提高，反之，亦然。

（4）渠道村砌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前我國(guó)采用較多的是混凝土和砌石等剛性襯砌，這些襯砌的特點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度低，但是抗壓強(qiáng)度高，襯砌層薄，對(duì)凍脹敏感，適應(yīng)變形能力差。當(dāng)渠床產(chǎn)生不均勻凍脹變形時(shí)，容易引起襯砌產(chǎn)生強(qiáng)度破壞，造成各種裂縫。這種渠道襯砌的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也正是其易受凍害的原因之一。

2 剛性護(hù)面渠道抗凍脹措施

當(dāng)渠道襯砌的材料和斷面形式相同，基土土質(zhì)不同，其凍害的程度也不相同。故可將其根據(jù)渠基土凍脹性采取不同的抗凍脹措施。

2.1 渠基土凍脹性類別屬于Ⅱ級(jí)以下，凍脹量小于2倍允許凍脹位移量時(shí)的抗凍脹措施

（1）對(duì)于小型渠道，可以采用整體式U形槽襯砌。因?yàn)?U形斷面較梯形斷面具有一定的反拱作用，渠基土凍脹時(shí)，其凍脹變形分布均勻，抵抗力較強(qiáng)，可以明顯減輕凍害，而且在基土溶化后，基本上能夠復(fù)位，殘余變形較小。

（2）對(duì)于中小型梯形混凝土襯砌渠道，可以采用架空梁板式或預(yù)制空心板式結(jié)構(gòu)。為了增強(qiáng)梁板結(jié)構(gòu)的抗凍害能力，宜采用鋼筋混凝土梁，從而提高梁的抗彎、抗剪強(qiáng)度。預(yù)制空心板結(jié)構(gòu)的厚度大于同方量實(shí)體混凝土板的厚度，起到了保溫隔熱作用以減少凍結(jié)深度。

（3）對(duì)于大型渠道，可采用現(xiàn)澆的混凝土肋梁板、楔形板、中部加厚板或預(yù)制的門形板等防身結(jié)構(gòu)形式

2.2 渠基土凍脹量大于2倍允許凍脹位移量時(shí)的抗凍脹措施

（1）渠基土換填措施

應(yīng)采用砂土、礫石、碎石、礦渣等非凍脹型土，或者上述材料的混合料換填凍脹性較好的細(xì)顆粒土。渠道斷面的不同點(diǎn)和不同部位宜采取不同的換填深度。根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL18- 2004），換填料應(yīng)置換到封頂板邊界以外10cm。當(dāng)渠道中水流速度較大時(shí)，應(yīng)防止水流對(duì)換填層的淘刷;當(dāng)渠水含泥量較大時(shí)，應(yīng)防止換填層含量的增加而喪失換填功效，故最好在換填層外圍用土工布保護(hù)。

（2）保溫隔熱措施

保溫隔熱措施是指在渠道襯砌下面鋪層導(dǎo)熱系數(shù)較小的隔熱材料，從而達(dá)到渠道基土不凍結(jié)或削減凍結(jié)深度，以達(dá)到減小渠基土凍脹或不發(fā)生凍脹的目的。目前工程上常用的保溫隔熱材料是聚苯乙烯泡沫塑料板。聚苯乙烯苯泡沫塑料板技術(shù)的應(yīng)用具有較強(qiáng)的全面性，在抗凍的形式上更加安全穩(wěn)定。同時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)在使用以后，后期不會(huì)出現(xiàn)頻繁的維護(hù)現(xiàn)象，節(jié)省了后期的維護(hù)費(fèi)用。

（3）排水、隔水措施

對(duì)同一工程地點(diǎn)來(lái)講，渠床土壤的含水量和地下水位是影響凍脹的關(guān)鍵所在，故搞好排水、隔水措施是解決渠系襯砌防治凍脹破壞不可忽略的問題。排水、隔水法是通過排水或阻水的方法來(lái)改變水分的運(yùn)移方向，從而達(dá)到減少或避免建筑物凍害的發(fā)生。在工程實(shí)踐中，根據(jù)不同類型的建筑物平板基礎(chǔ)的工作條件，建筑物允許變形條件，使用年限以及地基的水文地質(zhì)條件，地形條件可以采用不同的隔水、排水方法。

（4）物理化學(xué)法改良地基措施

物理化學(xué)法改良地基是通過外加物質(zhì)與土顆粒進(jìn)行物理作用或化學(xué)作用，從而改變地基土的特性，以減少或消除地基凍脹的一種方法。目前主要采用人工鹽漬化、摻加憎水物質(zhì)和利用外加劑改變土的分散性三種方法來(lái)降低土粒表面自由能量和凍結(jié)溫度，并改變土粒的親水性、礦物的水化性、地基的透水性，從而減少或消除地基凍脹。

3 結(jié)束語(yǔ)

渠道凍脹是我國(guó)嚴(yán)寒地區(qū)渠道防滲體系遭到破壞的重要原因之一。影響渠道凍脹破壞的因素有土質(zhì)條件、水分條件、氣溫條件等。因此應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁亍⒌叵滤弧⑼临|(zhì)、多年平均凍深（10年以上）等情況，選擇合理的防凍脹措施以適應(yīng)、削減渠基土凍脹措施為主，再加上經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)等抵抗凍脹破壞。