姜海峰

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng) 110000）

在農(nóng)業(yè)灌溉和電站等工業(yè)用水領(lǐng)域，經(jīng)常需要明渠引水，這就需要采用各種形式的襯砌以防止渠道滲漏和沖刷，提高渠道的利用效率[1]。然而，在我國(guó)寒冷地區(qū)，襯砌渠道普遍存在著比較嚴(yán)重的凍害問(wèn)題，凍害不僅嚴(yán)重阻礙了渠道建設(shè)，還需要投入大量的維修資金。因此，季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)如何防止渠道襯砌凍脹破壞的發(fā)生，是渠道建設(shè)與管護(hù)中迫切需要解決的問(wèn)題。

1 剛性護(hù)面渠道凍害破壞特征

在相同的地質(zhì)水文條件下，渠道襯砌的斷面與材料不同，其凍脹破壞的形式與程度也有所不同。剛性襯砌渠道使用的襯砌材料主要是砌石和混凝土，其主要特點(diǎn)是抗壓性能好，抗拉性能與適應(yīng)變形能力差，根據(jù)渠道的過(guò)水條件可以分為以下2種破壞情況。

1.1 冬季不輸水情況下的全面凍結(jié)破壞

我國(guó)目前采用最廣泛的是預(yù)制混凝土板襯砌渠道[2]。工程實(shí)踐表明，預(yù)制混凝土板襯砌渠道抗凍脹破壞能力較差，由于渠道在冬季產(chǎn)生不均勻凍脹，經(jīng)常造成接縫開(kāi)裂或預(yù)制板本身產(chǎn)生裂縫。由于凍脹破壞的積累，還會(huì)造成混凝土板的隆起、錯(cuò)位。在嚴(yán)重凍脹破壞的情況下，混凝土板開(kāi)裂錯(cuò)位嚴(yán)重，基本失去防沖刷、滲漏的作用。由于渠道進(jìn)一步滲水造成渠床含水量增加，會(huì)使凍脹破壞逐年加重，最終導(dǎo)致全部襯砌毀壞，最終使渠道報(bào)廢。

現(xiàn)澆混凝土襯砌也是我國(guó)剛性襯砌渠道的主要形式，這種襯砌的優(yōu)點(diǎn)是襯砌本身的分塊較大、厚度薄、接縫少，可以最大限度降低渠道的滲漏損失?，F(xiàn)澆混凝土襯砌對(duì)渠床的不均勻凍脹亦十分敏感，在凍脹作用下，會(huì)產(chǎn)生隆起和以縱向裂縫為主的不規(guī)則分布裂縫。對(duì)東西走向的渠道而言，陰坡裂縫數(shù)量較多，一般呈連續(xù)性分布，可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米甚至上百米。

漿砌石襯砌一般厚度較大，具有良好的整體性，抗凍脹性能優(yōu)于混凝土襯砌渠道[3]。在輕微和中等強(qiáng)度凍脹破壞下，漿砌石襯砌一般表現(xiàn)為局部隆起和裂縫，在強(qiáng)凍脹破壞下，凍脹裂縫往往連片發(fā)生，并伴隨松動(dòng)、錯(cuò)位和滑塌。

1.2 冬季輸水情況下的非全面凍結(jié)破壞

寒區(qū)襯砌渠道在冬季輸水過(guò)程中不僅要面臨水面凍結(jié)問(wèn)題，還要面對(duì)襯砌凍脹破壞，每年春季都要花費(fèi)大量的時(shí)間和人力物力維修[4]。這類(lèi)渠道由于過(guò)水部分與上部在溫度上差別較大，同時(shí)由于滲漏造成渠床含水率較高，襯砌的凍脹破壞主要發(fā)生在襯砌板的中部，且凍脹量大、鼓脹高，維修后容易再次復(fù)發(fā)，很難根治。首先，這種凍脹發(fā)生的部位高。由于渠道冬季輸水時(shí)來(lái)水量較小，水面線(xiàn)一般在渠道邊坡的中部波動(dòng)，受溫度荷載的影響，會(huì)在水面線(xiàn)以上部分發(fā)生強(qiáng)烈的凍脹破壞。其次，與冬季不輸水的渠道相比，此類(lèi)渠道的渠床含水率高，凍脹量也大得多，往往會(huì)在凍脹部位形成二臺(tái)，在春季消融后形成稀泥和空洞。最后，發(fā)生凍脹破壞的渠道每年春季都要停水維修，且夏季不能過(guò)大水，在第二年冬季輸水時(shí)又會(huì)發(fā)生凍脹破壞，年復(fù)一年極難根治。

2 剛性護(hù)面渠道的凍脹破壞成因

剛性護(hù)面襯砌渠道的凍害產(chǎn)生的原因是多方面的，主要取決于土質(zhì)、水分、溫度和襯砌結(jié)構(gòu)等因素的影響。

2.1 土質(zhì)因素

當(dāng)渠床為粗砂、礫石等粗顆粒土質(zhì)時(shí)，凍脹量一般較小，如果渠道的襯砌本身具有較好的抗凍脹破壞能力，則渠道襯砌的凍脹破壞不明顯[5]。例如新疆地區(qū)的許多引水渠道通過(guò)砂礫層，這里的有些漿砌卵石襯砌經(jīng)過(guò)四十多年的運(yùn)行，并無(wú)明顯的凍脹破壞；遼寧省劉大灌區(qū)的部分渠道渠床也是沙質(zhì)土，但是其混凝土襯砌仍產(chǎn)生比較明顯的凍害，這不僅與當(dāng)?shù)氐牡叵滤惠^高有關(guān)，同時(shí)也說(shuō)明剛性混凝土襯砌的抗凍脹變形能力較低。

當(dāng)渠床的土質(zhì)為細(xì)粒土，且含水量較大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的凍脹量，如果渠道采用的是混凝土等抗凍脹變形能力較低的剛性襯砌時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的凍脹破壞。例如，遼寧省碧流河灌區(qū)的部分渠道，在有地下水補(bǔ)給的條件下，渠床的最大凍脹量達(dá)到了43 cm，在上述地區(qū)，如不采取有效措施，即使采取柔性襯砌結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的凍脹破壞。

2.2 水分因素

渠床的水分條件是襯砌凍脹災(zāi)害發(fā)生的決定性因素，按水分條件，渠道襯砌的凍脹破壞主要包括兩種形式：一是由于地面或襯砌本身滲水，造成渠床土體的含水量增加，因而產(chǎn)生凍脹破壞，這種情況下凍脹量一般不大，凍害也相對(duì)較輕；二是渠道所在地的地下水埋藏較淺，由于地下水的補(bǔ)給作用造成凍脹破壞，這種凍脹破壞的凍脹量一般較大，會(huì)使渠道襯砌形成嚴(yán)重的凍脹破壞。由于土體水分含量對(duì)凍脹變形的影響十分明顯，而渠坡下部和渠底的含水量最大，因此，渠底和渠坡下部的凍脹量最大。但是渠底和坡腳接觸位置相互約束，其凍脹量反而不大，所以渠道的凍脹破壞多發(fā)生于靠近坡腳和渠底部位，這主要是水分因素所決定的。

2.3 溫度因素

東西走向的渠道，其陰坡的凍深要遠(yuǎn)大于陽(yáng)坡的凍深，這主要是由于陽(yáng)坡的日照時(shí)間和強(qiáng)度大，相對(duì)溫度較高的原因。由于溫度的影響，不僅陰坡的凍深明顯大于陽(yáng)坡的凍深，陰坡和陽(yáng)坡由于溫度荷載的影響，在凍結(jié)與融化時(shí)間上存在差異：一般陰坡先凍結(jié)后融化，而陽(yáng)坡后凍結(jié)先融化。以上因素的共同作用，造成渠道陰坡凍害比較嚴(yán)重。

2.4 襯砌結(jié)構(gòu)因素

前文提到，我國(guó)的輸水渠道大多是混凝土和漿砌石等剛性襯砌，由于此類(lèi)襯砌結(jié)構(gòu)較薄，抗不均勻凍脹的能力較差，當(dāng)渠床發(fā)生不均勻凍脹變形時(shí)，極易引起襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞，出現(xiàn)各種裂縫和變形。顯然，結(jié)構(gòu)形式也是影響襯砌凍脹破壞程度的重要因素。

3 剛性護(hù)面渠道抗凍脹措施

渠道凍脹是我國(guó)北方寒區(qū)渠道體系的重要破壞因素，每年會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。影響渠道凍脹破壞的因素比較復(fù)雜，因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)渠道所在地區(qū)的氣溫、地下水位、土壤特征以及多年平均凍深，選擇合理的防護(hù)措施。對(duì)剛性護(hù)面渠道而言，其防護(hù)措施主要是以適應(yīng)和消減渠床土體的凍脹變形為主要手段，同時(shí)輔以經(jīng)濟(jì)實(shí)用的襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施。

3.1 不同性質(zhì)渠道的防護(hù)重點(diǎn)

剛性襯砌渠道在應(yīng)用上主要分為兩種：一是冬季仍有輸水要求或雖無(wú)輸水要求但是渠道內(nèi)仍保留一定水深的渠道。這種渠道整個(gè)冬季保證有水，同時(shí)渠水不會(huì)被凍透，則渠底不需要采取任何防護(hù)措施。這類(lèi)渠道的防護(hù)重點(diǎn)是水面上下波動(dòng)范圍，尤其是凍結(jié)時(shí)冰面停留位置，在水面或冰面以上30～50 cm范圍內(nèi)的陰坡是防凍脹破壞的關(guān)鍵部位，必須要予以足夠重視。二是冬季不運(yùn)行的放空渠道，其防護(hù)重點(diǎn)是陰坡下部和渠底。對(duì)那些雖有冬灌任務(wù)，但是灌溉任務(wù)結(jié)束后即停水放空的渠道，應(yīng)按冬季不輸水渠道進(jìn)行防護(hù)處理。

3.2 渠床凍脹量較小的渠道防護(hù)措施

1）如果渠道屬于中小型梯形混凝土襯砌渠道，可以采用預(yù)制空心板結(jié)構(gòu)。在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下，空心板的厚度應(yīng)在原來(lái)實(shí)心板基礎(chǔ)上有所增大，以達(dá)到保溫隔熱作用，減少渠床基土的凍結(jié)深度，減少凍脹破壞。為增強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，建議采用鋼筋混凝土梁，以提高其彎曲和抗剪強(qiáng)度。

2）對(duì)設(shè)計(jì)流量小于2 m3/s的渠道，建議采用U型渠道設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)是具有一定的反拱作用，當(dāng)砌結(jié)構(gòu)對(duì)基土凍脹變形作用有較強(qiáng)的抵抗力，可以有效減輕凍脹破壞。此外，這種結(jié)構(gòu)在春季基土融化后，復(fù)位效果較好。

3）對(duì)設(shè)計(jì)流量小于9 m3/s的渠道，建議采用弧形渠底和坡腳的梯形坡面渠道。每隔3～5 m設(shè)置2～3 cm的伸縮縫，在縫間填充具有低溫柔性、防滲、抗老化的填縫材料。

4）對(duì)大型渠道，建議采用現(xiàn)澆混凝土楔型板、加厚板、預(yù)制門(mén)型板等防滲結(jié)構(gòu)，提高渠系的防滲效果，減小渠床基土的含水率。同時(shí)，對(duì)基土進(jìn)行夯實(shí)壓密，壓實(shí)范圍以工程設(shè)計(jì)為準(zhǔn)，壓實(shí)系數(shù)不小于0.95。

3.3 渠床凍脹量較大的渠道防護(hù)措施

1）基土換填措施。對(duì)凍脹量較大的基土要進(jìn)行換填，換填材料應(yīng)采用砂土、礫石、碎石和礦渣等方便易尋的非凍脹土[6]。換填材料越純凈越好，一般細(xì)顆粒含量不超過(guò)10%。對(duì)渠道斷面的不同部位采取不同的換填深度，換填比例可依據(jù)SL18-2004《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》，具體結(jié)果如表1所示[7]。為防止水流對(duì)換填層的沖刷，應(yīng)在換填層外圍用土工布保護(hù)。

表1 基土換填深度表

2）保溫隔熱措施。為減小溫度因素的影響，可以在渠道襯砌下鋪設(shè)隔熱材料，以消減凍結(jié)深度，減輕凍脹危害[8]。目前，工程實(shí)踐中常用的保溫材料是聚苯乙烯泡沫塑料板，在采取隔熱措施時(shí)，保溫隔熱材料在強(qiáng)度、壓縮系數(shù)、耐久性和抗腐蝕性方面需要滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求。保溫層的鋪設(shè)一般是全斷面鋪設(shè)，但是前文提到的凍脹破壞關(guān)鍵部位應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加強(qiáng)。

3）排水措施。在相同工況下，渠床的含水量以及地下水位是影響凍脹破壞的關(guān)鍵因素，因此做好排水措施是防凍脹破壞中不可忽視的問(wèn)題。①當(dāng)?shù)叵滤坏陀谠O(shè)計(jì)凍深時(shí)，可以在渠道底部每隔15～20 m設(shè)置一眼盲井，為土層中的水分留出排泄通道，降低基土的凍脹量。②當(dāng)渠底進(jìn)行砂卵石置換時(shí)，可在凍深底部設(shè)置排水暗管，并在集水管周?chē)扇》礊V措施，使?jié)B水能夠排出堤外。③對(duì)于冬季輸水的渠道，如果渠道兩側(cè)有滲水補(bǔ)給渠床，應(yīng)該設(shè)置反濾排水體，以免浸濕渠床。

4）土工膜防滲措施。進(jìn)行襯砌防滲措施也是降低凍脹破壞的重要工程技術(shù)手段。建議在渠道施工時(shí)在混凝土板下鋪設(shè)一層土工膜，構(gòu)建板膜復(fù)合結(jié)構(gòu)。根據(jù)趙彬彤的工程經(jīng)驗(yàn)，這種結(jié)構(gòu)下渠床含水量可以下降10%～30%，凍脹量減小33%～60%。在施工中，建議選用0.15～0.30 mm的塑料膜，并在混凝土與塑料膜之間鋪設(shè)厚度為2～3 cm的低等級(jí)砂漿過(guò)渡層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 土工膜防滲措施示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)北方寒區(qū)渠道凍脹破壞十分普遍，不僅影響了渠道功能發(fā)揮，還會(huì)造成比較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，渠道防凍脹破壞已成為北方地區(qū)渠道設(shè)計(jì)中必須要考慮的重要問(wèn)題。為了有效避免渠道凍脹破壞，不僅需要加強(qiáng)渠道運(yùn)行過(guò)程中的管理和維護(hù)，還需要以?xún)雒洶l(fā)生的機(jī)理為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，采取切實(shí)可行的抗凍設(shè)計(jì)措施，提高渠道的防凍性能，保障渠道的安全運(yùn)行。

［參 考 文 獻(xiàn)］

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［2］丁濤.混凝土襯砌渠道防凍脹技術(shù)在節(jié)水改造中的應(yīng)用［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2015（03）：111—114.

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［4］何武全，張紹強(qiáng)，吉曄，杜秀文.季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)渠道防滲防凍脹技術(shù)與應(yīng)用模式［J］.節(jié)水灌溉，2012（11）：67—70.

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