何武全，周東讓?zhuān)畏紓b

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌712100；2.陜西千陽(yáng)縣水利局，陜西 千陽(yáng) 721100；3.陜西東雷抽黃灌溉管理局，陜西 合陽(yáng)715300）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，大幅增加了對(duì)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的投資，混凝土襯砌渠道得到快速發(fā)展。但是，我國(guó)大部分地區(qū)屬于溫帶氣候，季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)面積大約513.7萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的53.5%［1］，分布比較廣泛。 剛性材料襯砌渠道在冬季由于負(fù)溫的作用，常常遭受到不同程度的凍害破壞，不僅嚴(yán)重影響了工程的正常運(yùn)行和防滲效果，也增加了工程管理維修的難度和費(fèi)用，縮短了工程的使用壽命。因此，對(duì)其進(jìn)行深入研究是非常必要的。

1 凍害類(lèi)型及破壞形式

在季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)，冬季氣溫都要降到零度以下，負(fù)溫對(duì)于混凝土襯砌渠道有著一定的破壞作用，即凍害。根據(jù)負(fù)溫造成各種破壞作用的性質(zhì)，凍害可以分為凍脹破壞、凍融破壞和冰凍破壞3種類(lèi)型，并具有不同的破壞形式。

1.1 凍脹破壞

凍脹破壞指渠基土凍脹和融沉對(duì)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的破壞。當(dāng)渠基土為凍脹性土，且其含水量大于起始凍脹含水量時(shí)，在冬季負(fù)溫的作用下，由于渠基土中的水凍結(jié)后體積增大，造成土體膨脹，而使襯砌結(jié)構(gòu)隆起。當(dāng)凍脹變形超過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)的允許變形時(shí)，或因凍脹而產(chǎn)生的凍脹力超過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)的抗裂或抗拉強(qiáng)度時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)就會(huì)開(kāi)裂，甚至折斷。在春節(jié)消融時(shí)又造成渠床表土層過(guò)濕，使土體失去強(qiáng)度和穩(wěn)定性，往往會(huì)導(dǎo)致襯砌體的滑塌。

1.2 凍融破壞

凍融破壞指混凝土襯砌材料內(nèi)部孔隙水的凍融導(dǎo)致襯砌板的破壞?；炷烈r砌材料具有一定的吸水性，又經(jīng)常處在有水的環(huán)境中，因此材料內(nèi)總是含有一定的水分，這些水分在負(fù)溫下凍結(jié)成冰，體積會(huì)發(fā)生膨脹，比原體積增大9%。當(dāng)這種膨脹作用引起的應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度時(shí)，材料就會(huì)產(chǎn)生裂縫，第2個(gè)負(fù)溫周期中，其吸水性增大，結(jié)冰膨脹破壞的作用更為劇烈，經(jīng)過(guò)多個(gè)凍融循環(huán)應(yīng)力的反復(fù)作用，最終導(dǎo)致襯砌材料的凍融破壞，如混凝土襯砌板表層剝落、凍酥等。

1.3 冰凍破壞

冰凍破壞指冬季輸水渠道水體結(jié)冰對(duì)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的破壞。我國(guó)寒冷地區(qū)大部分灌溉渠道在最冷月停止輸水，但少數(shù)兼有輸水發(fā)電和向下游輸水功能的渠道，在負(fù)溫期間通水時(shí)，渠道里的水體常常會(huì)結(jié)冰，產(chǎn)生冰凍破壞。渠水完全封凍后，冰凍層逐漸加厚，對(duì)渠坡襯砌體產(chǎn)生冰壓力，造成襯砌體的移位和破壞；或在冰壓力和渠基土凍脹力的作用下鼓脹，發(fā)生破壞變形。同時(shí)，漂浮的冰塊或冰屑團(tuán)會(huì)在局部積累，減少過(guò)水?dāng)嗝?，?yán)重時(shí)使斷面完全封堵，形成冰壩，造成渠水漫溢，甚至潰渠的事故。

2 凍害成因

渠基土凍脹對(duì)混凝土襯砌渠道的破壞，在我國(guó)北方季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)比較廣泛，對(duì)工程的危害程度較大，是混凝土襯砌渠道的主要凍害形式。因此，分析和掌握渠基土的凍脹機(jī)理、主要影響因素及凍脹破壞的防治尤為重要。

2.1 渠基土的凍脹機(jī)理

土體發(fā)生凍脹必須具備3要素：土質(zhì)、水分和溫度，三者缺一不可。渠基土發(fā)生凍脹也一樣，必須具備3個(gè)條件：①具有凍脹敏感性的土質(zhì)；②土壤含水量超過(guò)起始凍脹含水量（特別是有外來(lái)水源補(bǔ)給）；③達(dá)到土體凍結(jié)的負(fù)溫和一定的持續(xù)時(shí)間。因此，對(duì)于渠道襯砌與防滲工程，當(dāng)采用一定措施控制其中一個(gè)條件，就可以減弱或消除渠基土的凍脹，達(dá)到防治凍害的目的［2］。

渠基土產(chǎn)生凍脹是由于土體中的水分凍結(jié)成冰后體積發(fā)生膨脹的結(jié)果。在非飽和土凍結(jié)時(shí)，土體中水分（孔隙水）的體積增量將首先充填剩余空間，土體凍脹量不是很大，其凍脹危害也不大。但當(dāng)土體在凍結(jié)過(guò)程中有外界水源補(bǔ)給時(shí)，就會(huì)發(fā)生凍結(jié)水遷移而形成分凝層，使土體的凍脹量急劇增大，其凍脹危害也增大。土凍結(jié)成冰時(shí)，土體體積約增大9%，因而發(fā)生土體脹大現(xiàn)象。在一定的負(fù)溫作用下，水分與土顆粒表面相互作用力小于冰的結(jié)晶力，結(jié)晶的冰層吸附相鄰?fù)翆拥乃?，冰晶體不斷增長(zhǎng)。

由于在土體凍結(jié)過(guò)程中發(fā)生連續(xù)的水分遷移，土體中水分 （包括未凍區(qū)向凍結(jié)鋒面遷移補(bǔ)給的水分及孔隙中原有的部分水分）凍結(jié)成冰，形成冰層，且稱(chēng)不均勻分布和分層，體積脹大，一方面使下部未凍土層受到壓縮，另一方面凍結(jié)的渠床表面發(fā)生隆起，產(chǎn)生凍脹。渠基土凍脹宏觀上表現(xiàn)為冬季負(fù)溫時(shí)渠床表面的不均勻升高隆起，與其相反過(guò)程是春季融化后渠床表面融沉下降。

2.2 渠基土凍脹的主要影響因素

渠基土凍脹是水分遷移及其派生的現(xiàn)象，對(duì)水分遷移的影響因素也就是對(duì)凍脹的影響因素。影響水分遷移強(qiáng)弱的因素主要有渠床土質(zhì)、土體含水量、溫度條件和荷載壓力。有效改變或控制這些因素之一即可達(dá)到減弱或消除渠基土凍脹的目的［3］。

2.2.1 渠床土質(zhì)

渠道凍害嚴(yán)重程度與渠基土的凍脹量大小有關(guān)，而凍脹量則與土的凍脹敏感性有關(guān)。土的凍脹敏感性決定于土顆粒大小、礦物成分和密度等。土顆粒愈小，其比表面積愈大，與水相互作用的能量也愈高。土顆粒的大小即比表面積的差異直接影響到土體凍結(jié)過(guò)程中水分遷移能力的不同，因而不同土顆粒組成，其凍脹特性不同。一般隨著顆粒粒徑減小，土的凍脹性增大。粗粒土中粒徑小于0.075mm的土粒重量占土樣總重量的10%及以下時(shí)，為非凍脹性土；細(xì)粒土及粒徑小于0.075mm的土粒重量超過(guò)土樣總重量10%的粗粒土為凍脹性土。

喀麥隆BINI水電站壩址區(qū)玄武巖承壓水發(fā)育特征…………………………………… 劉鵬，韋志遠(yuǎn)，李應(yīng)輝（10-162）

礦物成分在土體凍結(jié)過(guò)程中對(duì)水分遷移有影響，因而對(duì)土的凍脹也有影響。土的密度對(duì)凍脹也有一定影響，在同一含水量下，干容重不同，凍脹系數(shù)可相差很大，其變化規(guī)律為：在相同條件下，凍脹系數(shù)隨含水量的增大而增大。一般通過(guò)壓實(shí)提高土的密度，可以減少凍結(jié)過(guò)程中的水分遷移量，從而減小土體的凍脹量。

2.2.2 土體含水量

渠基土中的水分是其產(chǎn)生凍脹的主要因素。不是所有含水的土凍結(jié)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生凍脹，只有當(dāng)土體中的水分超過(guò)某一界限值后，土的凍結(jié)才會(huì)產(chǎn)生凍脹，這個(gè)界限一般稱(chēng)為土的起始凍脹含水量。當(dāng)土體含水量小于其起始凍脹含水量時(shí)，土中有足夠的孔隙容納未凍水和冰，凍結(jié)不會(huì)產(chǎn)生凍脹。

當(dāng)無(wú)外界水源補(bǔ)給時(shí)，渠基土的凍脹性強(qiáng)弱主要取決于土體中的含水量。但當(dāng)有外界水源補(bǔ)給時(shí)，渠基土的凍脹性不僅與起始凍脹含水量有關(guān)，而且外界水源的補(bǔ)給可大大增加其凍脹性。

2.2.3 溫度條件

溫度條件包括外界氣溫、渠床土體溫度、土體中的溫度梯度和凍結(jié)速度等。渠基土的凍結(jié)凍脹過(guò)程，實(shí)際上是在負(fù)氣溫的作用下土體中溫度的變化過(guò)程。土體在達(dá)到起始凍結(jié)溫度后開(kāi)始凍結(jié)，然后再降溫至起始凍脹溫度時(shí)開(kāi)始凍脹，最后達(dá)到停止凍脹溫度后停止凍脹。在凍結(jié)過(guò)程中，上層土體水分含量的增加是下層土體水分在溫度梯度驅(qū)動(dòng)下向上層遷移造成的。凍結(jié)速度對(duì)凍脹也有影響，當(dāng)冷卻強(qiáng)度大時(shí)，凍結(jié)面迅速向未凍部分推移，未凍部分的水來(lái)不及向凍結(jié)面遷移就在原地凍結(jié)成冰，無(wú)明顯凍脹；冷卻強(qiáng)度小時(shí)，凍結(jié)面推移慢，未凍水克服沿途阻力后到分凝成冰面結(jié)冰，在外部水源補(bǔ)給下，凍結(jié)面向未凍部分推移越慢，形成的冰層越厚，凍脹也越大。

在無(wú)外界水源補(bǔ)給時(shí)，對(duì)粘土來(lái)說(shuō)，自土體凍結(jié)溫度至－3℃左右，土體凍脹劇烈，凍脹量約占最大凍脹量的70%～80%；－3～－7℃范圍，土體凍脹增長(zhǎng)緩慢，凍脹量約占最大凍脹量的15%～20%；－7～－10℃范圍，土體凍脹極為緩慢，凍脹量約占最大凍脹量的5%左右。對(duì)于中粗砂，0～－1℃為凍脹劇烈階段，－1～－2℃為凍脹增長(zhǎng)緩慢階段，－2～－3℃為凍脹增長(zhǎng)極為緩慢階段。粘土的凍脹停止溫度為－8～－10℃，亞粘土為－5～－7℃；亞砂土為－3～－5℃；砂土為－2℃左右。

2.2.4 荷載壓力

3 防治措施

混凝土襯砌渠道是否產(chǎn)生凍脹破壞，其破壞程度如何，主要取決于渠床的土質(zhì)條件、土體含水量、負(fù)溫條件及工程結(jié)構(gòu)型式等因素。如果采取措施消除或改善其中一個(gè)因素，就可以減輕或防止襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞。實(shí)踐證明，混凝土襯砌渠道的凍害防治，應(yīng)針對(duì)產(chǎn)生凍脹的因素，結(jié)合工程具體條件，從渠系規(guī)劃布置、渠基處理、襯砌材料與結(jié)構(gòu)型式、施工質(zhì)量和運(yùn)行管理等方面著手，全面考慮，采用適宜的防治 凍害措施［4］。

3.1 回避措施

（1）避開(kāi)出現(xiàn)較大凍脹量的自然條件。在渠道工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能避開(kāi)粘土、粉質(zhì)土壤、淤土地帶和松軟土層等地段及地下水位高（特別是有傍滲水補(bǔ)給）的地段等，防止或減輕凍害［5］。

（2）采用結(jié)構(gòu)措施回避凍脹。在凍脹性土地區(qū)，將渠道構(gòu)造作成涵或管埋沒(méi)在凍結(jié)深度以下，或采用樁、墩等構(gòu)筑物架空渠槽等措施，防止凍害發(fā)生。

3.2 削減措施

當(dāng)渠基土凍脹量較大，且渠床在凍脹融沉的反復(fù)作用下，可能產(chǎn)生凍脹累積或殘余變形情況時(shí)，可采用適宜的削減凍脹的措施，將渠基土的最大凍脹量削減到襯砌結(jié)構(gòu)允許凍脹位移范圍內(nèi)。

3.2.1 置換措施

在凍結(jié)深度內(nèi)將襯砌板下的凍脹性土換成非凍脹性土。砂礫石墊層不僅本身無(wú)凍脹，而且能排除滲水和阻止下臥層水分向表層凍結(jié)區(qū)遷移，所以砂礫石墊層能有效地減少凍脹，防止凍害現(xiàn)象的發(fā)生。

3.2.2 保溫措施

在渠道襯砌體下鋪設(shè)隔熱保溫層，阻隔大氣與渠基土的熱量交換，提高襯砌體下基土溫度，消減或消除凍脹，防止發(fā)生凍害。保溫材料宜采用憎水性材料，常用的隔熱保溫材料有膨脹蛭石、膨脹珍珠巖、聚苯乙烯泡沫板、硬質(zhì)聚氨酯烯泡沫板和高分子防滲保溫卷材等［6］。根據(jù)試驗(yàn)資料，1cm厚的聚苯乙烯泡沫塑料保溫層相當(dāng)于14cm厚填土的保溫效果。

3.2.3 隔水措施

采用塑料薄膜、油氈、膨潤(rùn)土防水毯、復(fù)合土工膜等［7］，設(shè)置隔水層，隔斷渠道滲水、大氣降水和地下水等對(duì)凍結(jié)層的補(bǔ)給，從而削減或消除凍脹。

3.2.4 排水措施

當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇祝虻叵滤浑m不很高，但渠基土透水性差，渠道的滲漏水和浸入渠基的雨水不能很快滲入基層深處時(shí)，應(yīng)根據(jù)渠道所處的地形和水文地質(zhì)條件，按不同情況設(shè)置排水設(shè)施，以達(dá)到排泄暢通、地基疏干、凍結(jié)層無(wú)水源補(bǔ)給的目的。

3.3 結(jié)構(gòu)措施

結(jié)構(gòu)措施就是在設(shè)計(jì)渠道斷面和襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，采用合理的型式和尺寸，使其具有削減、適應(yīng)或回避凍脹的能力。

（1）適應(yīng)不均勻凍脹能力較優(yōu)的渠道斷面型式有U型、弧型底梯型和弧型坡腳梯型等，小型渠道宜采用U型斷面，中型渠道宜采用弧型底梯型斷面，大型渠道宜采用弧型坡腳梯型斷面。

（2）當(dāng)?shù)叵滤惠^深且無(wú)外水源侵入渠基時(shí)，采用混凝土板膜復(fù)合襯砌防滲結(jié)構(gòu)，減少渠水滲入渠基；也可采用PP纖維混凝土板＋復(fù)合土工膜防滲襯砌結(jié)構(gòu)或土工格室混凝土板＋復(fù)合土工膜防滲襯砌結(jié)構(gòu)，可以有效地防止凍害［8］。

（3）對(duì)于大中型混凝土襯砌渠道，還可采用架空梁板式（預(yù)制∏型板）、預(yù)制空心板式、楔型板、肋梁板及新型連鎖板襯砌結(jié)構(gòu)等［9］，具有削減凍脹變形能力，比矩型板的抗凍脹能力強(qiáng)。

3.4 管理措施

（1）冬季不行水渠道，在基土凍結(jié)前停水，停水日期應(yīng)比氣溫穩(wěn)定通過(guò)零度日期提前7～10d，并在停水后及時(shí)排除渠內(nèi)和兩側(cè)排水溝內(nèi)的積水；春季開(kāi)灌日期不應(yīng)早于氣溫穩(wěn)定通過(guò)零度日［10］。

（2）冬季行水渠道，在負(fù)溫期間宜連續(xù)行水，并保持在最底設(shè)計(jì)水位以下運(yùn)行。

（3）每年進(jìn)行一次襯砌體的裂縫修補(bǔ)，使砌塊縫間填料保持原設(shè)計(jì)狀態(tài)，襯砌體封頂保持完好，不允許有外水流入襯砌體背后。

（4）及時(shí)維修排水設(shè)施，保證排水通暢。

［1］宋琿，朱明.季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)路基的凍脹與融沉［J］.路基工程，2007，（1）：26－28.

［2］馮廣志，周福國(guó).渠道防滲、襯砌技術(shù)發(fā)展中的若干問(wèn)題與建議［A］.渠道防滲論文集［C］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.10.

［3］山西省渠道防滲工程技術(shù)手冊(cè)編委會(huì).山西省渠道防滲工程技術(shù)手冊(cè)［K］.太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社，2003.3.

［4］李安國(guó)，建功.渠道防滲工程技術(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1998.3.

［5］陳亮，劉曉路.新疆地區(qū)襯砌渠道凍脹破壞及其防治措施［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2004，（9）：78－80.

［6］邢義川，李遠(yuǎn)華.現(xiàn)代渠道與管網(wǎng)高效輸水新材料與新技術(shù)［M］.鄭州：黃河水利出版社，2006.4.

［7］王振鐸.土工合成材料在凍脹區(qū)渠道防滲中的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2006，（3）：86－88.

［8］王丹，劉曉娟.抗凍脹渠道防滲的結(jié)構(gòu)形式研究進(jìn)展［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2009，（2）：62－64.

［9］何武全，劉群昌.我國(guó)渠道襯砌與防滲技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2009，（6）：3－6.

［10］劉肇祎，朱樹(shù)人，袁宏源，等.中國(guó)水利百科全書(shū)灌溉與排水分冊(cè)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.11.