渠道冻胀破坏的原因分析及防治措施

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(1.四川郫县水务局，四川 郫县，611730；2.中国水利水电第七工程局有限公司亭子口施工局，成都，610081)

1 渠道基土冻胀概述

1.1 冻胀土的物理性质

冻胀土简称冻土，是由固体的矿物颗粒、塑性的冰、液态的水和气体组成的四相体系。冻土按冻结时间可分为多年冻土(冻结几年以上)、季节冻土(1～2个季度)、短暂冻土(几昼夜)；按冻结状态可分为坚硬冻土(低温冻土)、塑性冻土(高温冻土)；按含冰量可分为富冰冻土(体积含冰量大于50%)、含冰冻土(50%～25%)、微合冰冻土(小于25%)。因冻结时水分迁移的变化，按冰在冻土体中的分布，冻土又可分为整体状、层状和网状结构。

1.2 衬砌渠道基土冻胀的基本原理

渠道基土的冻结过程实质上是热量的传递过程，在这个传热过程中,包含了热量传递的基本方式——导热、对流与辐射。

在季节性冻土地区，地表一定深度下土体温度为正温，并接近于大气多年平均温度,随着冬季大气气温下降出现负温,地表面放热超过热吸收，热平衡出现负值。一方面，近地冷气掠过地表，使地表向外散热，这一热量传递过程为对流换热；另一方面，地表吸收太阳辐射热，使地表增温，由于地表下土层向外放热，保持动态热平衡，于是随着时间的推移，冻结从地表开始向下进行，下部土层向上部土层传递热量，这一过程即为导热。因此，土体的冻结过程就是在介质温度的影响下，未冻土层向冻结土层导热的过程。

在基土冻结的过程中，冻土内部的温度是不均匀的，即存在温度场随时间不同和空间变化而异。

1.3 衬砌渠道基土冻胀的基本特征

1.3.1 冻胀的不均匀性。沿渠道纵向，因为渠线较长，渠道走向变化及水、土条件不同，同一部位不同渠段的冻胀量不同；同一横断面，由于接受阳光照射不同，阴坡、阳坡及渠底冻胀量不同，同时坡上部和坡下部冻胀量也不同。

1.3.2 水分具有重要作用。渠道渗漏水是基土水分的主要来源，且入渗水使下部含水量高于上部，特别是渠道通过高地下水位区时，渠底及坡下部水分迁移强烈，冻胀增强。

1.3.3 冻胀破坏逐年加剧。渠道基土经过冻结和融化之后，空隙率增大，透水性增强，再行冻结时水分更易流向冻结层，进一步增加了水分迁移和冻胀作用，使得衬砌渠道冻胀破坏逐年加剧。

1.3.4 渠道衬砌体一般自重很轻，不足以抵抗基土冻胀力。对于有约束力的衬砌体，产生局部开裂；对于无约束力的衬砌体，在冻胀力作用下整体上抬，当产生不能允许的变形时，无法复位而产生滑塌现象。

1.3.5 对于冬季行水的渠道，其冰盖对水面以上附近的衬砌体产生拉推力，加剧了冻胀破坏程度。

2 渠道冻胀破坏的原因分析

通过国内外一些渠道衬砌冻胀破坏调查与实际观测分析，衬砌渠道基土冻胀破坏，主要与基土冻胀位移量大小及其不均匀程度、衬砌结构受约束条件、衬砌结构抵抗或适应基土冻胀变形的能力等因素有关，而这些因素又主要与水、土、温和力等因素有关。因此可将衬砌渠道产生冻胀破坏的影响因素归纳为以下几点：

2.1 水的因素

土壤中的水分包括结合水和自由水，自由水又分为重力水和毛细水，产生冻胀的是自由水，而不是结合水。土壤的含水量是研究冻土内在规律的重要指标，冻土中水分是最活跃的因素，它随深度的不同和季节的变化而不断的改变。从物理学中可知，液态纯水在标准大气压下温度达到0℃时便会冻结成固态的冰，体积增大9%左右，密度减小8.3%。土中的原驻水的含水量不大时，土中水结成冰体积增大，只是降低孔隙率；只有当含水量超过一定界限时，产生土体膨胀，土冻结才能引起地表隆起，这个含水量叫做起始冻胀含水量。

2.2 土质因素

土壤有冻胀性土和非冻胀性土之分，一般情况下常土中粒径小于0.05mm的土粒含量大于总土重的6%称为冻胀土(如粉砂、壤土、粘土)；反之，当土中粒径小于0.05mm的土粒含量小于等于总土重的6%称为非冻胀土(如粗砂、中砂、砾砂)。土的冻胀性与土的矿物成分、粒径大小、干容重、渗透系数、交换阳离子及含盐量等诸因素有关。

2.3 温度因素

负气温对冻胀的影响主要表现在两个方面：第一，土的冻深。在其他条件相同的情况下，冻深大的冻胀量也大，冻深小的冻胀量也小；第二，冻结速度。气温剧降，冻结速度快，冻胀量则小，气温缓降，冻结速度慢，冻胀量则大。

2.4 渠道受力条件

冻土层顶部的膨胀变形如果受到限制，就会产生巨大的压力，称为冻胀力。冻胀力的大小受土的分散性、矿物成分、密度、土体水分条件、冻结条件的影响，且与基础的结构形式、尺寸、刚度、材料、表面状况、荷载等工程条件以及未冻土层的压缩性有关。冻胀力方向与冰晶增长方向相同，垂直于冻结面。习惯上，把沿基础侧面作用的冻胀力称作切向冻胀力；把沿基础表面(包括底面和侧面)法线方向作用的冻胀力称作法向冻胀力。土层在切向冻胀力的作用下极易失稳，失稳的结果便导致边坡衬砌板产生隆起架空和坍塌破坏。

3 渠道冻胀破坏的防治措施

综上所述，渠道的冻胀破坏主要与四个基本因素密切相关，即水分因素、土质因素、气温因素、渠道受力条件等。改善其中一个因素，便可收到防治冻胀的效果。由于渠道衬砌厚度较薄，重量较轻，采取抵抗性措施是不经济的，因此必须从以下三方面因地制宜地选用经济合理的一种或多种措施。

3.1 适应冻胀

即主要是应用渠道建筑材料、断面结构和衬砌分缝来适应冻胀变形，如断面结构采用弧形、弧形坡脚梯形、整体式混凝土U形槽断面、矩形断面挡土墙式等型式。对于刚性材料衬砌渠道，调整衬砌板纵横缝的距离、伸缩缝、收缩缝的缝形、缝宽和填充材料，防止衬砌板隆起、裂缝，以适应削减冻胀变形。

3.2 回避冻胀

即在渠道衬砌工程的规划设计中，注意避开出现较大冻胀量的自然条件，或者在冻土区注意避开冻胀对渠道衬砌工程的作用。在选择渠线时，选择透水性较强、地下水埋深大、地形较高的地带，尽可能避开粘土、粉质土、淤土、沼泽和高水位地段，并尽可能采用填方渠道。在工程措施设计时选择管道、暗涵和采用桩、墩基础和架空等结构，尽量避开和减少与冻胀土接触的冻胀影响。

3.3 削减冻胀

即当渠道产生的最大冻胀变形量较大，且由于地形、地质及渠线布置等原因不能有效回避冻胀的条件下，可采用适当的方法，将渠床基土的最大冻胀量削减到衬砌结构允许变位范围之内，以减小冻胀对衬砌结构的破坏作用。削减冻胀可分为置换砂砾垫层、隔热保温、压实干密度、防渗排水等几项措施。

4 具体防治方案

下面列举一些通过处理渠基土来防治冻胀的具体方案。

4.1 置换垫层方案

土体的冻胀与其颗粒组成密切相关，而土颗粒的大小，决定其比表面积大小及与水作用能量的高低，这种差异，决定土体冻胀特性的不同。置换垫层的方案便是利用该原理，在冻结深度内将衬砌板下的冻胀土换成非冻胀性材料，从根本上消除或削减了基土产生冻胀破坏的可能性。该措施可适用各种冻胀强度地区的冻胀防治。

4.2 隔热保温方案

其原理是将隔热保温材料铺设在衬砌体下部，通过隔绝外界气温，保证基土不受负温的影响，以达到削减冻深和冻胀，并相应减小置换深度，割断下层土的水分补给。这种保温材料不同于一般的保温材料，因为它处于极其潮湿的环境中，甚至是在冰或水中，所以不仅要求保温材料导热系数很低，而且吸湿性要非常小(最好等于零)；其次还要求保温材料要有一定的柔性和弹性，因为这种性能不仅便于施工，更重要的是保温层下的含水基土有可能会因为某些意外原因而发生—定程度的冻结，从而产生一定的冻胀量，具有一定柔性和弹性的保温层则能吸收这部分冻胀量和冻胀力，而不至于影响到刚性面层。

目前采用的保温材料有炉渣、泡沫水泥、珍珠岩、玻璃纤维、聚苯乙烯泡沫板等。

4.3 压实干密度方案

其原理就是用压实和强夯的方法来提高渠床非粉质粘性土的干密度，降低孔隙率、减弱透水性，以阻碍水分迁移，从而削减冻胀能力，达到防止冻害的目的。

该法就地取材，成本低，适宜于渠底和填方部分。

4.4 做好接缝止水，修筑截水、排水系统方案

切断基土水的来源是治理冻胀的根本措施之一，为适应温度变化及不均匀沉陷，混凝土衬砌渠道需设置伸缩沉陷缝。浆砌石衬砌渠道一般不设，有时考虑到水文、地质条件或其它因素才设置。

4.5 草皮护面、渠旁植柳方案

可以选用滋生力强、根株密结的草类作防渗护面材料。

渠旁植柳是根据柳树根系发达，能在渠道混凝土板底下形成须根网状盘结，并使布满须根的基土成为一种非冻胀性纤维土，起到了替换一定厚度冻胀性土的作用。

4.6 防渗材料隔离方案

即以防渗材料作为隔离层，防止渠水渗漏，降低渠床基土含水量，同时也可减少地下水补给量，降低地下水位，从而防止或削弱冻胀破坏。同时在一定程度上可提高地温，降低冻土层中温度梯度造成的渗透压力，提高防冻胀的能力。防渗材料主要有以下几种：

4.6.1 土料防渗

土料防渗是指用压实素土、粘砂混合土、灰土、三合土、四合土等土料进行防渗。适用于气候温暖地区的中、小型渠道。防渗效果为(0.07～0.17)m3/(m2d)，使用年限为5～25年。

4.6.2 水泥土防渗

水泥土防渗有压实干硬性水泥土防渗和浇筑塑性水泥土防渗两种方法，适用于气候温暖地区，且附近有壤土和砂壤土的渠道。防渗效果为(0.06～0.17)m3/m2d，使用年限8～30年。

4.6.3 膜料防渗

膜料防渗是用塑料薄膜或沥青玻璃纤维布油毡或复合类膜料做防渗层，其上设保护层的防渗方法。膜料防渗性能好，适应变形能力强，南北方均可采用，特别是北方冻胀变形较大的地区效果理想。

4.6.4 混凝土防渗

混凝土衬砌渠道具有防渗抗冲效果好，输水能力大，经久耐用，便于管理等特点，因而适用于各种地形、气候和运行条件的大、中、小型渠道。

4.6.5 沥青混凝土防渗

沥青混凝土衬砌属于柔性结构，其防渗能力强，适应变形性好，造价与混凝土相近，适用于冻害地区，且附近有沥青料源的渠道。

4.7 化学处理方案

采用化学材料对渠床进行处理，使渠床中土壤水分冰点降低或增加土层的不透水性，阻止水分迁移，从而削减冻胀。

5 结语

由于渠道冻胀受到多种因素的作用，而这些因素随不同地区变化极大，因而不可能有一个适用各种条件的最佳方案，而应根据渠道的气象、土壤、水文地质等不同自然条件选择防冻胀方案，做到在保证工程安全的前提下，费用最省，国家投资最小。即使对同一渠道工程，由于沿线条件变化很大，也应对渠道划分段落，分别确定其防冻胀方案。

国内多数工程的实践证明，采取单一措施一般都难以达到防治衬砌工程冻害的目的，要针对产生冻胀的因素，采取有主有次的综合措施。不但要重视规划布置、渠道设计、排水、保温、衬砌结构等措施经济合理，而且要重视施工质量、管理维修、防治冻害预案，才能达到满意的防冻效果。

〔1〕朱 强.衬砌渠道防冻胀设计中的几个问题.水利水电技术.1990，(9)：22～27.

〔2〕李安国.渠道防渗工程技术.中国农村水利水电，1997，(5)：48～51.