新疆襯砌渠道冰凍破壞類(lèi)型及防治應(yīng)用措施探析

蔡峰，馬愛(ài)華

（新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830049）

新疆氣候干燥降雨量少，農(nóng)業(yè)以灌溉為主，各類(lèi)輸水渠道超30萬(wàn)km。冬季大部分地區(qū)氣溫較低、負(fù)溫時(shí)間長(zhǎng)，渠道凍融破壞十分普遍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，新疆季節(jié)性凍土地區(qū)有半數(shù)以上的混凝土渠道因凍脹受到不同程度的破壞，制約了工程效益發(fā)揮。為了防治凍融病害、充分發(fā)揮效益、延長(zhǎng)工程使用壽命，在輸水工程中采取了各種防治凍脹破壞措施。國(guó)內(nèi)相關(guān)科技人員對(duì)此開(kāi)展了大量研究，如基土凍脹性分類(lèi)、基土水熱力分析和試驗(yàn)、襯砌受力分析、防滲保溫措施研究等，為寒冷地區(qū)渠道建設(shè)提供了重要的理論技術(shù)支持。

1 渠道冰凍破壞的一般形式

不同氣溫、地質(zhì)及運(yùn)行條件下渠道冰凍破壞的機(jī)理和形式各有不同。防治治理冰凍破壞，需要深入分析造成冰凍破壞的機(jī)理和因素，并有針對(duì)性地采取防治措施。混凝土襯砌是當(dāng)前渠道剛性防滲的主要形式，具有廣泛代表性，以混凝土渠道作為分析探討的主要對(duì)象。

1.1 襯砌混凝土結(jié)構(gòu)凍融循環(huán)破壞

混凝土在凝結(jié)水化過(guò)程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一些空隙，加上砂石的吸水性，當(dāng)長(zhǎng)期被水浸泡以后，在冬季寒冷氣溫下，空隙中的水因?yàn)榻Y(jié)冰而發(fā)生膨脹，在應(yīng)力作用下混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生細(xì)小裂縫，從而增加吸水性并加劇下次結(jié)冰膨脹破壞作用。經(jīng)過(guò)多個(gè)凍融循環(huán)，混凝土板易產(chǎn)生凍融破壞，表面砂漿剝蝕，各強(qiáng)度指標(biāo)大幅度下降，并且會(huì)出現(xiàn)大量裂紋，成為結(jié)構(gòu)安全隱患。混凝土板的凍融破壞與溫度水分條件和混凝土自身的抗凍脹性能密切相關(guān)，襯砌混凝土的抗凍性能是寒冷地區(qū)渠道防滲工程的重要技術(shù)指標(biāo)。

1.2 渠道水結(jié)冰對(duì)混凝土板破壞

該破壞形式主要發(fā)生在冬季運(yùn)行的混凝土襯砌渠道。在冬季負(fù)氣溫下輸水渠道中的浮冰會(huì)產(chǎn)生堆積并逐步形成冰蓋，對(duì)兩邊的混凝土板產(chǎn)生一定的壓力和推擠力。冰蓋越集越厚，對(duì)邊坡特別是轉(zhuǎn)彎處的混凝土產(chǎn)生的巨大壓力和推擠力可導(dǎo)致混凝土板的襯砌發(fā)生斷裂和位移破壞。

1.3 渠道基土對(duì)混凝土板的凍脹凍融破壞

在溫度降低至冰點(diǎn)以下時(shí)，渠基土體孔隙間水分凍結(jié)成冰體積膨脹，當(dāng)受到混凝土板約束時(shí)就產(chǎn)生凍脹力。由于渠道走向、斷面上的高差以及渠坡渠底的陽(yáng)光輻射熱、散熱條件、地下水補(bǔ)給條件不同，渠道各部位的溫度、含水量也不同，在負(fù)溫條件下的凍深和凍脹量也就不同，導(dǎo)致混凝土板各處受到的凍脹力也不同，使混凝土板整體受到不均勻的凍脹力和位移。當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以克服不均勻的凍脹力和位移時(shí)，將產(chǎn)生裂縫破壞；當(dāng)局部混凝土層的自重和錨固力不足以克服凍脹力時(shí)，將產(chǎn)生鼓起現(xiàn)象。

凍結(jié)過(guò)程中土體的含水量和向凍結(jié)鋒面的水分遷移，對(duì)渠基的凍脹量起到關(guān)鍵作用。當(dāng)渠道的地下水位較高時(shí)，一般凍脹量較大；渠頂?shù)幕辆嚯x地下水較遠(yuǎn)，凍脹量較小，這也造成混凝土板的應(yīng)力與位移不同而發(fā)生隆起架空等破壞現(xiàn)象。

當(dāng)渠道邊坡冰凍的土層進(jìn)入融化期，表層融土中的水分可很快排出，面板與凍土間夾層融土?xí)貎鋈谕恋慕唤缑骓樒孪禄骨掳l(fā)生滑塌。長(zhǎng)期的凍融循環(huán)對(duì)混凝土板的破壞會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。

基土凍脹產(chǎn)生不均勻應(yīng)力以及融化時(shí)發(fā)生不均勻沉降造成的混凝土板隆起、裂縫、變形等破壞現(xiàn)象，是最為普遍也較為嚴(yán)重的破壞形式，季節(jié)性凍土地區(qū)渠道的凍融破壞以此種形式為主。基土凍融破壞產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素復(fù)雜多樣，防治措施應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)和當(dāng)?shù)貧夂颉⑼寥馈鐾痢⒌叵滤惹闆r綜合分析、因地制宜地選擇實(shí)施。

2 渠道凍融破壞主要防治措施

渠道凍脹必須具備三方面要素，即持續(xù)的負(fù)溫條件、土壤中有自由水和毛細(xì)水并且有通暢的水分補(bǔ)給通道、土壤本身的物理性質(zhì)符合凍脹土特性。根據(jù)凍融破壞機(jī)理，渠道防治凍脹通常采取以下幾方面措施。

2.1 回避凍脹

修建渠道盡量避開(kāi)出現(xiàn)較大凍脹量的不利自然條件地段，一般渠線選擇盡可能避開(kāi)持水量較大的土層以及地下水位較高的地段；盡量抬高渠基，避免混凝土渠道與凍脹土直接接觸。

2.2 防滲截水排水

渠基土中的含水量是渠基凍脹的基本因素。實(shí)踐表明，襯砌渠道即使地下水埋藏很深，因渠道產(chǎn)生較多漏水使渠基土飽和或達(dá)到基土起始凍結(jié)含水量，也可引起渠道凍脹。渠道防滲是防治凍脹的重要措施之一，鋪設(shè)防滲膜、做好混凝土襯砌的接縫止水是防滲重要環(huán)節(jié)。

在一些有向渠堤滲水的挖方渠道渠段，需采用截滲排水措施將滲向渠堤的地下水截流排出、降低含水量，從而防治渠道凍脹。

通過(guò)排水體將基土中滲出的水排出，降低渠基的含水量和自由水位，與防滲、截水、基土換填等措施綜合運(yùn)用，對(duì)防治減輕渠基土凍脹可起到較好的效果。

2.3 渠基土換填

渠基土換填是渠道防凍脹技術(shù)中常用的措施之一，一般用砂礫石等非凍脹性土來(lái)?yè)Q填原渠基的粉質(zhì)黏土、壤土等凍脹性土，改善渠基土體的排水性和水分場(chǎng)。采用非凍脹土換填可以使渠基土體實(shí)際含水量低于起始凍結(jié)含水量，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，結(jié)合排水措施，可有效減輕渠基土體的凍害。

在工程實(shí)踐中，換填措施要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用得當(dāng)，置換料應(yīng)達(dá)到非凍脹土標(biāo)準(zhǔn)，按要求施工，同時(shí)要避免置換后材料周?chē)礊V層失效，在長(zhǎng)期運(yùn)行中受周?chē)林屑?xì)顆粒“淤塞”而改變了置換土的非凍脹性。

2.4 保溫措施

針對(duì)凍脹產(chǎn)生的溫度因素對(duì)渠基土采取保溫措施，改變凍脹土層的負(fù)溫情況，從而防止和改善基土的凍脹強(qiáng)度。在新疆的渠道工程中通常使用苯板保溫法，即在混凝土襯砌后設(shè)置一定厚度的苯板隔熱保溫材料，阻隔寒冷氣溫向渠道基土的傳導(dǎo)，防止和削減基土產(chǎn)生負(fù)溫冰凍凍脹。

2.5 合理優(yōu)化渠道斷面結(jié)構(gòu)

渠基凍脹融沉過(guò)程中，剛性襯砌受到凍脹、凍結(jié)、自重等綜合作用力，內(nèi)部結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生不同性質(zhì)的應(yīng)力。通過(guò)優(yōu)化渠道的結(jié)構(gòu)形狀尺寸來(lái)改變減少混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的不利于結(jié)構(gòu)整體性的拉應(yīng)力，達(dá)到防治渠道凍脹破壞的目的。

一般大型干渠采用梯形斷面或梯形斷面弧形渠底的襯砌結(jié)構(gòu)型式，渠底較寬時(shí)可采用弧形坡角梯形斷面；中型渠道可采用梯形斷面弧形渠底襯砌結(jié)構(gòu)型式；對(duì)于小型斷面渠道，可采用U形結(jié)構(gòu)型式，也可采用復(fù)式矩形斷面結(jié)構(gòu)型式。

3 不同凍脹防治措施在工程中的應(yīng)用

寒冷地區(qū)輸水渠道變形不僅受地下水位、土壤含水率、水分遷移、凍脹力、土壤溫度、環(huán)境氣象等因素影響，還受渠道的斷面規(guī)模和通水運(yùn)行條件的影響。在不同輸水工程中，要結(jié)合實(shí)際綜合采取防治措施，以下例舉幾種新疆工程中應(yīng)用的防治凍脹措施。

3.1 基土換填防治措施在工程中應(yīng)用

3.1.1 凍脹性膨脹泥巖渠基抗凍脹措施

某長(zhǎng)距離調(diào)水工程渠道斷面為梯形，采用預(yù)制混凝土板+塑膜防滲，部分渠段渠基巖性為泥巖和砂巖。試驗(yàn)結(jié)果顯示，泥巖具有膨脹性和凍脹性，無(wú)濕陷鹽脹特性，砂巖為弱凍脹性。經(jīng)分析認(rèn)為，泥巖遇水膨脹和凍脹性是造成渠道斷面變形、襯砌結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。渠道建設(shè)采用換填非凍脹土+排水的處理措施，渠基換填40 cm砂礫石和80 cm白砂巖墊層，并設(shè)置縱橫排水系統(tǒng)。該工程投入運(yùn)行多年，目前運(yùn)行情況良好。

該工程主要采用防滲、排水和換填基土等抗凍脹措施，將渠基泥巖換填為砂礫石和白砂巖類(lèi)非凍脹土和弱凍脹土，塑膜防滲減少了渠水對(duì)渠基的滲漏，排水系統(tǒng)將渠基換填層中的水及時(shí)排掉，幾種措施并用有效防止了渠基的膨脹凍脹對(duì)渠道斷面的破壞。

3.1.2地下水埋深較深的渠基凍脹防治措施

某調(diào)水工程沙漠明渠設(shè)計(jì)流量55 m3/s，渠道為梯形斷面，采用預(yù)制混凝土板+塑膜防滲型式。渠基土為粉細(xì)砂，顆粒細(xì)保水性好，屬凍脹土，采用換填砂礫料墊層40 cm；該渠段地下水埋深較深，渠基中水分主要由渠道滲漏產(chǎn)生，可直接下滲，故不設(shè)排水系統(tǒng)。該渠道經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行，未發(fā)生凍脹破壞，運(yùn)行情況良好。

該工程實(shí)例中渠道采用防滲、換填非凍脹土防凍脹措施，在地下水較大埋深的條件下能夠保證渠基含水量低于起始凍脹含水量，因而能有效防治渠基發(fā)生凍脹。

3.1.3 高地下水位渠道防凍脹處理措施

北疆某平原明渠全長(zhǎng)57 km，設(shè)計(jì)流量25 m3/s，渠道為梯形斷面，采用預(yù)制混凝土板+塑膜防滲型式。渠基土為第四系全新統(tǒng)低液限粉土和低液限黏土，屬凍脹土。部分渠段地下水埋深1～2 m，渠道防凍脹采用換填非凍脹土+排水的處理措施。換填厚度為30～60 cm砂礫石，并設(shè)置縱橫排水系統(tǒng)，在渠底中心位置設(shè)一縱向排水溝，排水溝上層為厚度30 cm的反濾層，下層30 cm為粗顆粒排水體，排水溝上設(shè)砂礫石層。在沿線適當(dāng)位置設(shè)橫向排水溝，溝內(nèi)設(shè)排水管。工程于2005年投入運(yùn)行，未發(fā)生凍脹破壞。

3.1.4 濕陷性黃土混凝土防滲渠道防凍處理措施

伊犁某長(zhǎng)距離輸水渠道設(shè)計(jì)流量74 m3/s，渠道為梯形斷面，采用預(yù)制混凝土板+塑膜防滲型式。渠道有36 km渠線經(jīng)過(guò)黃土區(qū)，渠基為非自重濕陷性黃土，屬凍脹土。由于渠道基礎(chǔ)具有濕陷性，為防止沉降對(duì)渠道采用預(yù)浸水法處理措施。

渠道防凍脹采用換填非凍脹土+排水的處理措施，換填厚度為50～80 cm砂礫石，根據(jù)渠段地下水埋深及透水層埋深的不同，設(shè)置了不同的縱橫向排水措施。在地下水埋深較大的渠段，渠坡及渠底換填的砂礫石墊層可作為排水通道，間隔約500 m設(shè)橫向排水溝，內(nèi)埋設(shè)1根φ150 mm的盲溝管，與渠基換填砂礫石層相連進(jìn)行排水。在地下水埋深較淺渠段，在渠底中部并排埋設(shè)3根φ200 mm的塑料盲溝管，沿渠每300 m設(shè)橫向排水，渠底中部盲溝管與橫向排水溝內(nèi)埋設(shè)的塑料盲溝管相連進(jìn)行排水。當(dāng)渠底以下透水層埋深小于5 m時(shí)，在渠底設(shè)垂直排水與透水層相通，垂直排水內(nèi)填砂礫石。工程于2009年投入運(yùn)行，未發(fā)生凍脹破壞，運(yùn)行良好。

以上4項(xiàng)大型輸水渠道工程的渠基土均屬于凍脹性土，由于工程地質(zhì)水文條件各不相同，防治凍脹破壞的措施也有所不同，但防治基本原則都是基于對(duì)凍脹土的換填和對(duì)基土含水量及水分遷移的控制，即將渠基凍脹土用一定厚度的非凍脹土換填，并通過(guò)防滲排水措施切斷水分補(bǔ)給，降低渠基凍層范圍內(nèi)的水分，將此深度土體含水量控制在起始凍脹含水量以下，消除渠道凍脹的水分因素，從而達(dá)到防治渠道凍脹的效果。

大型輸水渠道斷面混凝土襯砌面積大，改變提高渠基的抗凍脹性是有效可行的防治凍融破壞措施，很多工程采用這個(gè)措施，取得了不錯(cuò)的效果。

3.2 保溫隔熱防治凍脹措施在工程中應(yīng)用

當(dāng)輸水渠道的縱坡平緩、區(qū)域地下水位較高時(shí)，渠基排水比較困難，通過(guò)排水控制渠基凍層含水量的防治措施已不具備條件，因此需考慮實(shí)際情況通過(guò)其他途徑來(lái)防治渠道的凍脹破壞，如改善凍脹發(fā)生的溫度因素。以北疆某灌區(qū)梯形支渠為例，來(lái)探討保溫隔熱措施在渠道凍融破壞防治中的應(yīng)用。

某灌區(qū)支渠為梯形渠道，渠深1.5 m，設(shè)計(jì)流量2.0 m3/s，采用混凝土板襯砌防滲，襯砌下設(shè)厚度為40～70 cm砂礫石墊層，渠基設(shè)排水體。由于地下水位高、坡度緩排水不暢，渠道在建成運(yùn)行后發(fā)生了較嚴(yán)重的凍脹破壞，影響了正常使用，渠底板凍脹鼓起，渠坡凍脹變形、破壞錯(cuò)位，板坡中下部和渠底中部出現(xiàn)大量變形裂縫，其中以中下游渠道凍脹破壞最為嚴(yán)重。

分析渠道凍脹破壞原因后，認(rèn)為防治凍脹關(guān)鍵在于確保渠道邊坡襯砌下方正負(fù)溫度區(qū)土層不出現(xiàn)變形，即確保處于負(fù)溫區(qū)的土層只凍不脹或使襯砌板下不出現(xiàn)正負(fù)2個(gè)溫度區(qū)域，提出渠坡斷面換填和邊坡保溫的防治措施，具體如下：邊坡襯砌板下使用砂礫石料換填，渠底土料不替換，替換的土料厚度為現(xiàn)場(chǎng)最大凍土層厚度的2/3以上，如圖1所示。經(jīng)過(guò)土料的替換，地下水位以上渠道邊坡襯砌板以下負(fù)溫區(qū)域內(nèi)的土層不會(huì)發(fā)生凍脹。襯砌板下鋪設(shè)保溫層，確保渠基在冬季時(shí)不會(huì)出現(xiàn)正負(fù)溫區(qū)變化隔層，從而防止發(fā)生凍脹破壞現(xiàn)象，如圖2所示，隔熱保溫層材料及保溫層厚度需進(jìn)行驗(yàn)算。

圖1 渠道斷面換填示意

圖2 鋪設(shè)保溫層渠道斷面溫區(qū)示意

采取上述措施后，渠道凍脹得到了良好治理，再未出現(xiàn)渠道邊坡襯砌凍脹破壞現(xiàn)象。

3.3 優(yōu)化渠道斷面形狀抗凍脹措施

3.3.1 梯形渠道抗凍脹斷面優(yōu)化

塔里木某灌區(qū)梯形渠道發(fā)生不同程度的凍脹變形破壞，研究人員對(duì)梯形、弧底梯形渠道分別進(jìn)行了不同地下水埋深情況下的凍脹特征力學(xué)受力分析計(jì)算，并與觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比。弧底梯形渠道的混凝土凍脹斷裂力學(xué)模型研究計(jì)算結(jié)果顯示：弧底梯形渠道較平底梯形渠道的渠底和坡腳凍脹所產(chǎn)生彎矩小，結(jié)構(gòu)內(nèi)拉應(yīng)力減小，抗凍脹結(jié)構(gòu)應(yīng)力優(yōu)，是一種凍脹破壞應(yīng)力和凍脹變形較小的結(jié)構(gòu)型式。同時(shí)，結(jié)果顯示：渠深越淺，坡板傾角越小，凍脹力分布越均勻，變化趨勢(shì)越平緩，即越不易發(fā)生凍脹破壞，這正是寬淺式梯形渠道抗凍性能良好的主要原因。

以上研究結(jié)果與塔里木灌區(qū)梯形渠道的實(shí)際凍融破壞情況相符，由此可知，梯形渠道斷面形式尺寸對(duì)渠道的抗凍性有很大的影響。在梯形渠道的設(shè)計(jì)中，根據(jù)凍脹力學(xué)模型計(jì)算來(lái)優(yōu)化斷面的形狀結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)提升渠道抗凍脹破壞性能至關(guān)重要。

3.3.2 小型渠道抗凍脹斷面優(yōu)化應(yīng)用

灌區(qū)小型渠道一般為階段性輸水渠道，渠基土凍脹是造成防滲斗渠冰凍破壞的主要因素。小型斗渠數(shù)量眾多，單位長(zhǎng)度投資有限，抗凍措施應(yīng)經(jīng)濟(jì)適用可靠，重點(diǎn)從優(yōu)化斷面形狀結(jié)構(gòu)方面提升渠道的抗凍性能。

梯形渠道混凝土板在不均勻凍脹作用下一般在渠坡1/3處或渠底產(chǎn)生縱向裂縫破壞，而U形渠下部的圓弧底拱形效應(yīng)將大部分凍脹應(yīng)力轉(zhuǎn)換為弧形襯砌的軸向壓力，減小了襯砌斷面的彎矩和混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力，非常適用渠基不均勻凍脹明顯的小型渠道。U形渠具有很好的抗凍脹破壞性能，實(shí)踐中較少發(fā)現(xiàn)因凍脹產(chǎn)生裂縫破壞。

伊犁河谷某灌區(qū)末級(jí)斗渠原梯形渠道因凍脹破壞嚴(yán)重，襯砌完好率不到45%，嚴(yán)重影響了灌區(qū)灌溉。2015年對(duì)斗渠進(jìn)行防滲抗凍改造，采用U形斷面現(xiàn)澆混凝土襯砌，渠基部分置換砂礫石非凍脹土，混凝土U形襯砌一次性整體澆筑如圖3所示。渠道改建工程完工以來(lái)，未發(fā)生渠道凍脹破壞現(xiàn)象。

圖3 某灌區(qū)U形混凝土斗渠斷面

實(shí)踐證明，小型渠道U形斷面襯砌抗凍脹力學(xué)性能好，而對(duì)于大、中型梯形渠道可采用弧形底梯形斷面也能提高渠道的抗凍力學(xué)性能，渠底較寬時(shí)可采用弧形坡角梯形斷面。

4 結(jié)語(yǔ)

渠道的凍融破壞是寒冷地區(qū)輸水工程常見(jiàn)的問(wèn)題。多年來(lái)關(guān)于渠道凍融破壞的研究取得很多重要的成果，各種防治凍融破壞的工程措施在實(shí)際工程中得以應(yīng)用并取得了顯著成效，在輸水渠道工程的安全運(yùn)行中發(fā)揮了重要作用。

新疆地域遼闊，地區(qū)氣候、水文、地質(zhì)等工程環(huán)境差異性較大，由于溫度、土壤成分、含水率、鹽分、水分補(bǔ)給等因素造成渠道工程凍融破壞型式不同，使得渠道凍害的影響因素和破壞機(jī)理具有多樣復(fù)雜性，一些重大工程在凍脹、融沉、鹽脹等多種因素作用下的工程變形破壞需要更多的試驗(yàn)研究和觀測(cè)分析。因此，新疆輸水渠道工程的冰凍破壞和治理問(wèn)題仍需進(jìn)一步探索和研究。