季节性冻土地区衬砌渠道的冻害成因与防治措施

何武全，周东让，何芳侠

（1.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌712100；2.陕西千阳县水利局，陕西 千阳 721100；3.陕西东雷抽黄灌溉管理局，陕西 合阳715300）

近年来，随着我国经济社会的发展，大幅增加了对农业基础设施的投资，混凝土衬砌渠道得到快速发展。但是，我国大部分地区属于温带气候，季节性冻土地区面积大约513.7万km2，占国土面积的53.5%［1］，分布比较广泛。 刚性材料衬砌渠道在冬季由于负温的作用，常常遭受到不同程度的冻害破坏，不仅严重影响了工程的正常运行和防渗效果，也增加了工程管理维修的难度和费用，缩短了工程的使用寿命。因此，对其进行深入研究是非常必要的。

1 冻害类型及破坏形式

在季节性冻土地区，冬季气温都要降到零度以下，负温对于混凝土衬砌渠道有着一定的破坏作用，即冻害。根据负温造成各种破坏作用的性质，冻害可以分为冻胀破坏、冻融破坏和冰冻破坏3种类型，并具有不同的破坏形式。

1.1 冻胀破坏

冻胀破坏指渠基土冻胀和融沉对混凝土衬砌结构的破坏。当渠基土为冻胀性土，且其含水量大于起始冻胀含水量时，在冬季负温的作用下，由于渠基土中的水冻结后体积增大，造成土体膨胀，而使衬砌结构隆起。当冻胀变形超过衬砌结构的允许变形时，或因冻胀而产生的冻胀力超过衬砌结构的抗裂或抗拉强度时，衬砌结构就会开裂，甚至折断。在春节消融时又造成渠床表土层过湿，使土体失去强度和稳定性，往往会导致衬砌体的滑塌。

1.2 冻融破坏

冻融破坏指混凝土衬砌材料内部孔隙水的冻融导致衬砌板的破坏。混凝土衬砌材料具有一定的吸水性，又经常处在有水的环境中，因此材料内总是含有一定的水分，这些水分在负温下冻结成冰，体积会发生膨胀，比原体积增大9%。当这种膨胀作用引起的应力超过材料的强度时，材料就会产生裂缝，第2个负温周期中，其吸水性增大，结冰膨胀破坏的作用更为剧烈，经过多个冻融循环应力的反复作用，最终导致衬砌材料的冻融破坏，如混凝土衬砌板表层剥落、冻酥等。

1.3 冰冻破坏

冰冻破坏指冬季输水渠道水体结冰对混凝土衬砌结构的破坏。我国寒冷地区大部分灌溉渠道在最冷月停止输水，但少数兼有输水发电和向下游输水功能的渠道，在负温期间通水时，渠道里的水体常常会结冰，产生冰冻破坏。渠水完全封冻后，冰冻层逐渐加厚，对渠坡衬砌体产生冰压力，造成衬砌体的移位和破坏；或在冰压力和渠基土冻胀力的作用下鼓胀，发生破坏变形。同时，漂浮的冰块或冰屑团会在局部积累，减少过水断面，严重时使断面完全封堵，形成冰坝，造成渠水漫溢，甚至溃渠的事故。

2 冻害成因

渠基土冻胀对混凝土衬砌渠道的破坏，在我国北方季节性冻土地区比较广泛，对工程的危害程度较大，是混凝土衬砌渠道的主要冻害形式。因此，分析和掌握渠基土的冻胀机理、主要影响因素及冻胀破坏的防治尤为重要。

2.1 渠基土的冻胀机理

土体发生冻胀必须具备3要素：土质、水分和温度，三者缺一不可。渠基土发生冻胀也一样，必须具备3个条件：①具有冻胀敏感性的土质；②土壤含水量超过起始冻胀含水量（特别是有外来水源补给）；③达到土体冻结的负温和一定的持续时间。因此，对于渠道衬砌与防渗工程，当采用一定措施控制其中一个条件，就可以减弱或消除渠基土的冻胀，达到防治冻害的目的［2］。

渠基土产生冻胀是由于土体中的水分冻结成冰后体积发生膨胀的结果。在非饱和土冻结时，土体中水分（孔隙水）的体积增量将首先充填剩余空间，土体冻胀量不是很大，其冻胀危害也不大。但当土体在冻结过程中有外界水源补给时，就会发生冻结水迁移而形成分凝层，使土体的冻胀量急剧增大，其冻胀危害也增大。土冻结成冰时，土体体积约增大9%，因而发生土体胀大现象。在一定的负温作用下，水分与土颗粒表面相互作用力小于冰的结晶力，结晶的冰层吸附相邻土层的水分，冰晶体不断增长。

由于在土体冻结过程中发生连续的水分迁移，土体中水分 （包括未冻区向冻结锋面迁移补给的水分及孔隙中原有的部分水分）冻结成冰，形成冰层，且称不均匀分布和分层，体积胀大，一方面使下部未冻土层受到压缩，另一方面冻结的渠床表面发生隆起，产生冻胀。渠基土冻胀宏观上表现为冬季负温时渠床表面的不均匀升高隆起，与其相反过程是春季融化后渠床表面融沉下降。

2.2 渠基土冻胀的主要影响因素

渠基土冻胀是水分迁移及其派生的现象，对水分迁移的影响因素也就是对冻胀的影响因素。影响水分迁移强弱的因素主要有渠床土质、土体含水量、温度条件和荷载压力。有效改变或控制这些因素之一即可达到减弱或消除渠基土冻胀的目的［3］。

2.2.1 渠床土质

渠道冻害严重程度与渠基土的冻胀量大小有关，而冻胀量则与土的冻胀敏感性有关。土的冻胀敏感性决定于土颗粒大小、矿物成分和密度等。土颗粒愈小，其比表面积愈大，与水相互作用的能量也愈高。土颗粒的大小即比表面积的差异直接影响到土体冻结过程中水分迁移能力的不同，因而不同土颗粒组成，其冻胀特性不同。一般随着颗粒粒径减小，土的冻胀性增大。粗粒土中粒径小于0.075mm的土粒重量占土样总重量的10%及以下时，为非冻胀性土；细粒土及粒径小于0.075mm的土粒重量超过土样总重量10%的粗粒土为冻胀性土。

喀麦隆BINI水电站坝址区玄武岩承压水发育特征…………………………………… 刘鹏，韦志远，李应辉（10-162）

矿物成分在土体冻结过程中对水分迁移有影响，因而对土的冻胀也有影响。土的密度对冻胀也有一定影响，在同一含水量下，干容重不同，冻胀系数可相差很大，其变化规律为：在相同条件下，冻胀系数随含水量的增大而增大。一般通过压实提高土的密度，可以减少冻结过程中的水分迁移量，从而减小土体的冻胀量。

2.2.2 土体含水量

渠基土中的水分是其产生冻胀的主要因素。不是所有含水的土冻结时都会产生冻胀，只有当土体中的水分超过某一界限值后，土的冻结才会产生冻胀，这个界限一般称为土的起始冻胀含水量。当土体含水量小于其起始冻胀含水量时，土中有足够的孔隙容纳未冻水和冰，冻结不会产生冻胀。

当无外界水源补给时，渠基土的冻胀性强弱主要取决于土体中的含水量。但当有外界水源补给时，渠基土的冻胀性不仅与起始冻胀含水量有关，而且外界水源的补给可大大增加其冻胀性。

2.2.3 温度条件

温度条件包括外界气温、渠床土体温度、土体中的温度梯度和冻结速度等。渠基土的冻结冻胀过程，实际上是在负气温的作用下土体中温度的变化过程。土体在达到起始冻结温度后开始冻结，然后再降温至起始冻胀温度时开始冻胀，最后达到停止冻胀温度后停止冻胀。在冻结过程中，上层土体水分含量的增加是下层土体水分在温度梯度驱动下向上层迁移造成的。冻结速度对冻胀也有影响，当冷却强度大时，冻结面迅速向未冻部分推移，未冻部分的水来不及向冻结面迁移就在原地冻结成冰，无明显冻胀；冷却强度小时，冻结面推移慢，未冻水克服沿途阻力后到分凝成冰面结冰，在外部水源补给下，冻结面向未冻部分推移越慢，形成的冰层越厚，冻胀也越大。

在无外界水源补给时，对粘土来说，自土体冻结温度至－3℃左右，土体冻胀剧烈，冻胀量约占最大冻胀量的70%～80%；－3～－7℃范围，土体冻胀增长缓慢，冻胀量约占最大冻胀量的15%～20%；－7～－10℃范围，土体冻胀极为缓慢，冻胀量约占最大冻胀量的5%左右。对于中粗砂，0～－1℃为冻胀剧烈阶段，－1～－2℃为冻胀增长缓慢阶段，－2～－3℃为冻胀增长极为缓慢阶段。粘土的冻胀停止温度为－8～－10℃，亚粘土为－5～－7℃；亚砂土为－3～－5℃；砂土为－2℃左右。

2.2.4 荷载压力

3 防治措施

混凝土衬砌渠道是否产生冻胀破坏，其破坏程度如何，主要取决于渠床的土质条件、土体含水量、负温条件及工程结构型式等因素。如果采取措施消除或改善其中一个因素，就可以减轻或防止衬砌结构的冻胀破坏。实践证明，混凝土衬砌渠道的冻害防治，应针对产生冻胀的因素，结合工程具体条件，从渠系规划布置、渠基处理、衬砌材料与结构型式、施工质量和运行管理等方面着手，全面考虑，采用适宜的防治 冻害措施［4］。

3.1 回避措施

（1）避开出现较大冻胀量的自然条件。在渠道工程规划设计时，尽可能避开粘土、粉质土壤、淤土地带和松软土层等地段及地下水位高（特别是有傍渗水补给）的地段等，防止或减轻冻害［5］。

（2）采用结构措施回避冻胀。在冻胀性土地区，将渠道构造作成涵或管埋没在冻结深度以下，或采用桩、墩等构筑物架空渠槽等措施，防止冻害发生。

3.2 削减措施

当渠基土冻胀量较大，且渠床在冻胀融沉的反复作用下，可能产生冻胀累积或残余变形情况时，可采用适宜的削减冻胀的措施，将渠基土的最大冻胀量削减到衬砌结构允许冻胀位移范围内。

3.2.1 置换措施

在冻结深度内将衬砌板下的冻胀性土换成非冻胀性土。砂砾石垫层不仅本身无冻胀，而且能排除渗水和阻止下卧层水分向表层冻结区迁移，所以砂砾石垫层能有效地减少冻胀，防止冻害现象的发生。

3.2.2 保温措施

在渠道衬砌体下铺设隔热保温层，阻隔大气与渠基土的热量交换，提高衬砌体下基土温度，消减或消除冻胀，防止发生冻害。保温材料宜采用憎水性材料，常用的隔热保温材料有膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、聚苯乙烯泡沫板、硬质聚氨酯烯泡沫板和高分子防渗保温卷材等［6］。根据试验资料，1cm厚的聚苯乙烯泡沫塑料保温层相当于14cm厚填土的保温效果。

3.2.3 隔水措施

采用塑料薄膜、油毡、膨润土防水毯、复合土工膜等［7］，设置隔水层，隔断渠道渗水、大气降水和地下水等对冻结层的补给，从而削减或消除冻胀。

3.2.4 排水措施

当地下水位高于渠底，或地下水位虽不很高，但渠基土透水性差，渠道的渗漏水和浸入渠基的雨水不能很快渗入基层深处时，应根据渠道所处的地形和水文地质条件，按不同情况设置排水设施，以达到排泄畅通、地基疏干、冻结层无水源补给的目的。

3.3 结构措施

结构措施就是在设计渠道断面和衬砌结构时，采用合理的型式和尺寸，使其具有削减、适应或回避冻胀的能力。

（1）适应不均匀冻胀能力较优的渠道断面型式有U型、弧型底梯型和弧型坡脚梯型等，小型渠道宜采用U型断面，中型渠道宜采用弧型底梯型断面，大型渠道宜采用弧型坡脚梯型断面。

（2）当地下水位较深且无外水源侵入渠基时，采用混凝土板膜复合衬砌防渗结构，减少渠水渗入渠基；也可采用PP纤维混凝土板＋复合土工膜防渗衬砌结构或土工格室混凝土板＋复合土工膜防渗衬砌结构，可以有效地防止冻害［8］。

（3）对于大中型混凝土衬砌渠道，还可采用架空梁板式（预制∏型板）、预制空心板式、楔型板、肋梁板及新型连锁板衬砌结构等［9］，具有削减冻胀变形能力，比矩型板的抗冻胀能力强。

3.4 管理措施

（1）冬季不行水渠道，在基土冻结前停水，停水日期应比气温稳定通过零度日期提前7～10d，并在停水后及时排除渠内和两侧排水沟内的积水；春季开灌日期不应早于气温稳定通过零度日［10］。

（2）冬季行水渠道，在负温期间宜连续行水，并保持在最底设计水位以下运行。

（3）每年进行一次衬砌体的裂缝修补，使砌块缝间填料保持原设计状态，衬砌体封顶保持完好，不允许有外水流入衬砌体背后。

（4）及时维修排水设施，保证排水通畅。

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