冻胀与盐胀对混凝土防渗渠道及附属建筑物的破坏及处理方式的选择

丁 慧

（新疆兵团农一师沙井子灌区水利管理处 阿克苏市 843008）

1 概 述

北方冬季受气候寒冷及部分地区土壤重盐碱的影响，工程面板出现裂缝、翘起、层层剥落，降低了结构强度。兴建的防渗渠道极易受到冻胀的破坏，缩短了工程使用寿命。有些冻胀危害发生在防渗渠道建成后运行初期的1～2年内，而有些却发生在工程建成未运行之时，因此进一步研究渠道冻胀破坏的机理，采取有效的预防措施，对保证各级防渗渠道正常运行、减少维修养护费意义重大。

2 冻胀与盐胀的概念

a.土壤受外界和其他因素的影响，土体中的水分超过一定量时，冻结土层体积发生了增大的变化，使土体整体或局部膨胀，出现结构变形现象，通常把这种现象称为冻胀。

土壤冻胀受土质、气温、土壤温度、含水量、压力及土壤颗粒粗细等多种因素的影响，它产生了冻胀力，发生了形态的变化。土的冻胀力是含水土体冻结时，土体的水变成冰体，其体积膨胀受到约束产生的一种力。例如，据塔里木盆地各垦区的观察，冬季气温越低，冻土深度越大；土壤温度越低，冻胀越严重，它对土壤上部混凝土面板的变形、断裂破坏愈严重；土壤含水量越大，冻胀愈厉害；土壤颗粒愈细，冻胀变形愈大。砂砾石土类，由于不存在薄膜水，冻结时基本不发生水分迁移，故不产生冻胀。一般粘性土壤不可作为建筑物垫层。

b.土壤中含有一定的硫酸钠，当硫酸钠含量超出设计规定范围，温度降到一定数值时，含盐浓度大于土壤中硫酸钠的溶解度，开始了结晶过程，在结晶过程中，土壤形态发生了变化，表面松散，硬质表面形成盐皮、盐壳或直盘等状，体积膨胀，容重急剧降低，土壤的这种现象称为盐胀。

盐胀在气温高于0℃的低温条件下开始产生，冬季最大盐胀量时开始稳定，回落时间是次年气温在零度左右，结束时间比冻胀的全部解冻时间延迟数日。

3 冻胀与盐胀的区别

冻胀与盐胀二者既有相同之处，又有根本的区别。相同之处是：都产生于低温季节，将土壤上部的混凝土护面上翘而导致破坏。不同之处是：冻胀多半是将土体向上隆起，而盐胀大多是将土体顶松体积膨胀，向上隆起；冻胀在气温0℃以下的寒冷季节里发生，而盐胀则是在地温0℃以上的秋冬交替季节就可发生；从它们的密实度和地下水位观测，土壤的干容重较大时，冻胀比盐胀要弱，当干容重小时，冻胀比盐胀要强；在含盐量均等时，土壤干容重愈高盐胀量愈大；地下水位高时，冻胀较盐胀强，地下水位低时，冻胀较盐胀弱。

4 冻胀及盐胀对混凝土防渗渠道的破坏原因及存在的问题

4.1 渠道冻胀机理

渠道冻胀破坏是由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：

a.寒冷气候区持续的负温条件。

b.土壤中自由水和毛细水存在，并且有通畅的水分补给通道。

c.土壤本身特定的物理力学性质，包括土的颗粒组成、矿物质成分等。

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。

要切断冻土地基在冻结前后的水分补给，通常采用高填或排水措施来减少水分的补给。

4.2 对渠道混凝土衬砌板的破坏

受外界水源的补给，冻结土壤中的水分增加，浸润到土壤毛细管的水源不断地补充增加，冻胀又因不同的土壤产生不同的冻结变化，预制混凝土或现浇混凝土衬砌面板经冻胀和盐胀后延伸缩缝、沉降缝错位，局部不规则翘起。

大多数灌溉渠道在冬季停水期处于无水状态，其水分主要由衬砌板底部下层的回归水补充，对混凝土入侵结成冰晶，使土体空隙中的冰晶数量剧增，水分结冰使体积膨胀，受水平方向挤压或推力产生水平位移，迫使结构发生改变。没有经过护面的土渠，每到春季气温回升，土壤水分融化解冻后，边坡坍塌，影响了渠道的正常运行，同时也影响了渠道断面的整体性及外观。

4.3 水工和其他建筑物产生直接的变化破坏

4.3.1 闸上下游扭坡产生纵横向裂缝和剥皮的破坏

由于扭坡结构面积较大,所承受的冻胀力较小,建筑物水闸的扭坡段,扭向下游的板面逐渐减薄,较薄的面层承受的冻胀力较大,常常出现水平和横向冻胀裂缝的地方。

受盐胀的影响和反复的季节性变化，含水量超过塑限以后或高于最大水含量时，含水量越大，盐胀量越小，水工建筑物埋土面上下的混凝土表面出现多处裂缝和剥落，造成了局部截面减少，承载力和强度降低。

4.3.2 盐胀对水工建筑物基础产生剥落破坏

在秋冬交替土壤开始冻结时，含水量较大且盐分含量较大的土壤，对没有防潮和防潮不彻底或只有水平防潮没有垂直防潮的工程项目，盐胀受反复的昼夜温差交替变化和阶段性气温波动的影响，土层特别松软，建筑物表面多处裂缝。混凝土基础表层或砖砌基础表面由于盐胀的原因，出现了层层剥落直至工程剥蚀破坏报废。

5 处理方法

5.1 改变渠道结构形式防冻胀

渠道防冻胀处理可通过改变渠道结构形式来实现，即用“U”形或矩形断面来代替梯形断面。但此处理形式只适用于流量小于1m3/s的小渠道。

5.2 改变渠基土体的基本结构防冻胀

改变基土的基本结构：用大颗粒的土体填入渠基，将原细颗粒土体挖去。换填厚度一般要大于等于冻土深度。适用于冻土深较小的地区。

换填时应因地制宜，有条件的地方，路面以下回填80～100cm砂砾石垫层更为可靠，可防止冻害的发生。

它的优点是：ⓐ当渠道附近有大量换填材料时，造价可能便宜；ⓑ由于对渠基进行了彻底换填，当质量达到要求时，可保证渠道永久不受冻胀危害。

5.3 使用新型建筑材料防冻胀

近来随着新型建筑材料的问世，苯板越来越多地应用于渠道的防冻胀处理。苯板防冻胀的主要机理是它具有保温的功效，保证了渠基土不受负温的影响。

灌溉渠道在冬季应将渠水放空，上游进水闸止水严密，减少冻胀；在混凝土衬砌板底部40cm处铺设防渗膜，在坡面铺设时，应保持土坡斜面的平整，在咬换时搭接、卷换应顺水流方向卷搭连接，最好挖成槽齿状，深度为15～20厘米，回填时应注意不要将防渗膜滑落或损坏。利用苯板保温作用，不对基土进行回填。它具有以下优点：ⓐ抗冻效果好，采用10cm的苯板即可达到换填100cm砂或戈壁砂的保温效果；ⓑ施工方便，渠道开挖断面小；不对基土进行扰动，直接将苯板置于基土上，在苯板上直接进行衬砌材料的施工；ⓒ在一定条件下造价便宜，使用的施工机械少，人工省。采用苯板，不进行基土换填，避免了大量土石方机械的使用。当基土换填材料运距大于一定距离时，其造价低的优势立即显现。苯板防冻胀材料的缺点是：在一定条件下，同换填相比，造价较高。当基土换填材料运距小于一定距离时，其造价明显高于换填处理。

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。

5.4 对建筑物的地面上下部分采用防水处理的对策措施

在地下水位较高的地区，含水量较高，以盐分较大的土壤作基础，应做换填处理，换填粗颗粒的土料，土料的硫酸根含量宜为0.6mg/l以内；若无换土条件或成本很大时，也可在承重部位下铺设一层细砂垫层，再铺设水平和垂直防渗塑膜，效果会更佳。这样既可防冻胀也可以防盐胀，同时还可以减少春天“翻浆”对基础的影响。

6 结 语

对渠道防冻胀处理方式的选择，关系到渠道的造价和施工的难易，必须慎之又慎。苯板作为一种新型的渠道防冻胀处理方式，具有独特的优点。对苯板的运用还需在今后的渠道设计与施工中不断地总结经验，进一步完善苯板的防冻理论和实际运用经验。■