浅谈渠道防冻胀设计中的几个问题

□陈 芳（新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院）

□张艳萍（河南省郑州水利学校）

一、渠道冻害问题现状

新疆位于我国西部边陲，远离海洋，深居内陆，属于明显的温带大陆性气候：冬季长、严寒，绝大部分地区的冬季气温在零度以下，其中准噶尔盆地最冷月(1月)平均气温在零下20℃以下。

负温下冻土区地表层存有冬冻春融的冻结融化层，土体发生的物理力学性质的挤压和减压变化，直接影响着上部建筑物的稳定性，如地表冻胀隆起、融化沉陷，导致基土上建筑物受到不同程度的破坏，其中预制混凝土板和现浇混凝土板护面的防渗渠最易受到冻胀的破坏，浆砌石和干砌石护面防渗渠次之。

新疆水资源具有“春旱、夏洪、秋缺、冬枯”的特点，季节性缺水对农业正常灌溉影响较大，因此，防渗渠道在新疆运用较为普遍。由于气候寒冷，防渗渠道极易受到冻胀的破坏，有些冻胀危害发生在建成后运行初期的1～2年内，而有些却发生在工程建成未运行之时，因此，在渠道设计、施工和运行中必须研究防治冻害问题。

二、渠道冻害机理

渠道防冻胀处理方案研究已有多年的历史，渠道冻胀破坏是由于渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌而形成，渠基土受冻体积膨胀必须具备以下条件：一是寒冷气候区持续的负温条件；二是土壤中自由水和毛细水的存在，并且有通畅的水分补给通道；三是土壤本身的物理力学性质，包括土的颗粒组成、矿物质成份等。

在以上三个条件中，土壤中自由水和毛细水的存在是冻胀发生的先决条件，也是必备条件。在整个冻胀破坏过程中，水是最活跃的因素。

从上述导致土体冻胀的三个基本因素中，只有三个因素同时具备，才发生冻胀破坏，只要消除其中一个因素，就能防止和减轻冻胀危害。从目前新疆地区的气候条件来看，外部温度不达负温是不可能的，因此只有采取保温措施达到内部不负温。切断冻土地基在冻结前、后的水分补给是过去防冻胀处理常用的方法，此外改变渠基土体的基本结构也是保证土体非冻胀性的一种方法。

要切断冻土地基在冻结前后的水分补给，通常是采用高填或排水措施来减少水分的补给。但是由于土体颗粒及物理力学性质的决定，毛细水的作用不可忽视，毛细水往往上升至地下水面以上2～3m的平面上，同样会对渠产生冻胀破坏。例如库尔勒市哈拉苏农场的一个小渠道，流量1.5m3/s，旁边平行有一条深1.5～2m的排水沟，渠道为半挖半填渠道，在施工中就发生了冻胀破坏。因此对于细颗粒土体，要完全切断水分的补给是不现实的，毛细水的冻胀破坏不容忽视；另外，近几年由于冬灌水渗入渠基内造成渠道发生冻胀破坏的实例也较多，如阿克苏地区某渠道右岸为耕地，渠道设计为全挖方，地质勘察渠基土为冻胀性土，地下水位5m内未揭露，设计未采取防冻胀措施，但初运行时由于冬灌水入渗渠基内，渠道衬砌混凝土板出现鼓胀及裂缝。因此，旁渗水造成的冻胀破坏也应引起足够重视。

改变基土基本结构的办法是进行渠基土的换填，就是用大颗粒的土体填入渠基，将原来的细颗粒土体挖走。这种换填工程量较大，若在冻土深度较大的地区使用，往往工程量是巨大的。

从目前情况看，任何工程要根本回避和解决冻胀三因素之一，从考虑经济和投资省的情况下，都是非常困难和把握不住的。因此在实际工作中，往往将几种工程措施结合起来使用，即以回避一种因素为主，辅之以回避另一种因素的综合措施进行防冻胀处理。如在主要侧开挖排水沟降低水分补给的同时，对基土进行一定厚度的换填；用风积砂、砂砾石垫层或苯板进行保温，以减少冻胀破坏。

三、防冻胀措施设计

（一）冻胀性渠基的特征和有关参数

正确认识渠基土冻胀机理，如何采取应对措施，在渠基土防冻胀设计中，首先要明确几个参数和有关规定。

1.防冻胀设计规范

当前，指导抗冻胀设计的有两个规范，即《水工建筑物抗冰冻设计规范》(SL211-2006)和《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23—2006)。

2.冻胀土的确定

细粒土及粒径＜0.075mm的土粒重量超过土样总重量10%的粗细土为冻胀性土。

3.地基土的冻胀量及冻胀级别的确定

进行水工建筑物抗冻胀设计时，应确定工程各计算点的地表冻胀量和建筑物地基土的冻胀量。前者是指年冻结周期内冻结前地表至冻结膨胀后的地表在法线方向的最大差值，即季节冻结土层的总冻胀量；后者是指底板(墙体)热阻影响的地基土(墙后填土)冻结层内的总冻胀量。

（二）防冻胀设计中的几个问题

1.采取置换措施的特殊考虑

某渠道计算得到地基土的冻胀量为2.04～2.12cm，根据地基土的冻胀级别判定，该渠道渠基土冻胀级别为Ⅱ级。

根据规范，当渠基土冻胀级别为Ⅱ级，可结合渠道防渗要求采取整体式混凝土U型槽、弧形断面或弧形底梯形断面的板模复合衬砌、架空梁板式、预制空心板和浆砌石等渠道断面及衬砌结构。当渠基土冻胀级别为Ⅲ级及以上时，可采用置换措施防止渠道衬砌板冻胀破坏。

由于新疆水资源年内分配不均，因此，为保证农作物正常生长均采取冬灌措施，也就是冬季11月对白地进行灌溉，保持土壤墒份。考虑该渠线位于灌区内部，受冬季灌溉水影响，渠道沿线地下水位仍有上升可能，另外，考虑渠道填筑土料均为低液限粉(粘)土，排水性较差，冬灌后田间侧向补给水位消散较慢，有可能造成渠道衬砌冻胀破坏，除根据渠道规模在断面型式上采取相适应的措施外，仍需根据渠段不同岩性及地下水位埋深情况对其进行防冻胀置换措施处理。如某挖方渠道左侧为林地，地质勘察显示渠床地基土为冻胀性土，但地下水位埋深＞5m，因此，设计未考虑置换措施，但渠道运行时冬灌水入渗左侧渠堤，造成渠道发生冻胀破坏。

2.设计冻深计算控制因素

设计冻深值与渠道走向、渠床土质、地下水位埋深、日光照晒遮荫程度等有关，其中同一计算点不同部位的计算值也有所区别，因此，渠道设计冻深计算应根据以上控制要素分段进行计算。

渠道断面各点的冻胀程度取决于土中含水量的高低，而土中含水量的来源，一是由渠顶向下渗透，二是渠道防渗层的漏水，三是地下水位高低影响。新疆防渗渠道大多采用土工膜进行防渗处理，所以渠道渗漏量对土壤含水量的影响较小，而渠道沿线地下水位主要受田间灌溉水等的影响较大，因此，在设计冻深计算时需重点确定冻结期的地下水位 (工程地质勘察要明确地下水位测量时间及项目区地下水位的变幅)，设计中应以最不利地下水位埋深进行计算。

3.置换材料的确定

新疆地区防冻垫层置换材料常见的有三种：当地材料、砂砾石及保温苯板。

当地材料主要为风积砂、含细粒土砂等满足非冻胀土料要求的土料，由于该料场大部分位于工程区附近，相应造价较低。但选用时需慎重，如新疆某渠道选用渠线附近的风积砂作为防冻胀置换材料，但在施工前检测土样时发现，土料不满足非冻胀土体的要求，究其原因是因为地质勘察时选料不具代表性，取料地点均选在风积砂丘的迎风面，背风面未取样，而施工时采用混合采料方式，粗细料混合后细粒土含量超标。另外，部分渠道采用风积砂或细粒土砂作为置换材料，土料中细粒土含量虽然满足非冻胀性土要求，但颗粒偏细，细粒土含量接近于非冻胀性土的极限值，在取料、填筑时，一旦有少量细粒土混入(如渠道填筑土料)，就有可能成为冻胀性土，因此，在采用风积砂等材料时，应对其可靠性进行充分论证。

4.置换厚度的确定

渠道防冻材料置换厚度应根据不同渠段渠床土质、地下水埋深以及渠道不同部分选取置换比，然后根据相应渠段设计冻深计算。通常在确定置换厚度时，需参考当地已有实践经验，结合计算值进行综合确定，如新疆和田地区采用砂砾石防冻垫层厚度应不低于30cm，阿克苏地区不低于45cm。

四、结束语

在渠道工程设计中采取置换措施防止冻胀破坏是较为常见方法，在设计中难以把握的问题主要是渠床土中水的来源、材料的质量(尤其是选用当地材料)和防冻垫层的厚度，因此，要求设计人员既要对当地较为成熟的防冻经验进行了解，还要对渠道沿线地下水位有充分调查，尤其是冻结期的地下水位埋深及影响地下水位埋深的因素要作详细周密的分析论证；另外，当地材料选样是否详实、具有代表性，施工取料是否影响质量等都要慎重考虑，避免出现质量问题。

综上所述，渠系防冻胀问题虽然属常见问题，但不同的地区、地貌、周边环境、地质条件等因素导致采取的措施不近相同，这要求设计和施工人员要有高度的责任感和良好的职业道德，考虑周全，严格规范操作，只有双管齐下，才能保证工程顺利的实施。

[1]水利部农村水利司中国灌溉排水技术开发培训中心.渠道防渗工程技术[M]，中国水利水电出版社，2002.

[2]渠道防渗工程技术规范SL18—2004[S].中国水利水电出版社，2004.

[3]渠系工程抗冻胀设计规范SL23—2006[S].中国水利水电出版社，2006.

[4]水工建筑物抗冰冻设计规范SL211-2006[S].中国水利水电出版社，2006.