衬砌渠道防冻技术探讨

张世洪

摘 要：青海省地处青藏高原，渠道工程多分布于海拔1800米至2800米的范围，水文地质条件复杂，气温、冻深及降水量等自然因素垂直分带明显，随着海拔增高，气温下降，相应的土壤冻结深度、负地温和气温低于0℃的历史都增加和延长。

关键词：冻害原因；冻害类型；防治措施

1 冻害原因

渠道基土是产生冻胀的主要原因，冻胀的大小与渠道基土的土质、水分、湿度及压实度等四个因素有关。

1.1 土质

吸引水分能力强的土质，冻胀性也强，理论上一般以土的粒径大小判定冻胀性的强弱，粒径大于0.1mm的基土其所含水分较少，基土粒径为0.05～0.1mm的土，开始有冻胀，基土粒径在0.05～0.02mm的土凍胀性最强，粒径再小的粘土，由于土粒间的间隙较小，透水性不良，冻胀性反而变小。按照土质的分类，粘土的冻胀破坏最强，其次依次是粉质土、亚粘土和砂亚砂土。

1.2 水分

水是产生冻胀的基本条件，土体内的水分的多少、地下水位的高低以及有无外来水补给等均对冻胀产生强烈影响。冻结面移动的水分，未冻土内原含有的水分，形成的冻胀量小，当有外来水补给时，则产生的冻胀量大。

1.3 温度

气候的寒冷程度，将直接影响渠道的冻结深度。

1.4 压实度

渠道基土压实标准高，冻胀就减小，当基土的压实应力大于冻胀中断应力时，冻胀就不会产生。

2 衬砌渠道的冻害类型

2.1 温度裂缝型

由于温度变化引起衬砌板收缩产生的应力所致。它多发生在横向收缩缝间距过大的当年施工渠段上，表现形式为衬砌板与工作缝、伸缩缝的断开或衬砌板本身的横向断裂，缝宽为0.5～2mm，由于粘土的填充，这种缝一般不易自行闭合而成为渗漏的通道，伸缩缝预留间距不宜过大，以3～5米为宜。

2.2 冻胀裂缝型

由于渠床基土性质及含水量的差异而产生不均匀的冻胀应力所致。是我省渠道衬砌冻害破坏的主要形式。冬季衬砌渠道中衬砌板中部附近出现的纵向裂缝，多属于冻胀裂缝，冻胀裂缝是由于基土不均匀冻胀，造成衬砌板不均匀变位。按冻害的程度可分为较弱（缝宽小于3mm），中等（3～10mm），严重（大于10mm）三种情况。轻微及中等一般发生在微弱及中等冻胀性土渠，衬砌体开裂但不滑塌变位。若不及时维修，常因渠水渗入及冻融而导致衬砌体的严重破坏，严重冻胀裂缝发生在强冻胀性土渠，或有地下水直接补给的地区，它常使衬砌体严重开裂，滑塌变位，以致报废。

2.3 冻融滑塌型

处于强冻胀土渠的衬砌体，冻害表现为衬砌体的整体上抬或局部上抬，局部上抬是以渠脚或渠顶为铰的翘动，最后导致渠道衬砌板发生滑塌破坏。

2.4 冰塌冰冻破坏型

冰塌是因渠内结冰牢固地与衬砌体冻结在一起，立春时节渠道阳坡中部冰块首先消融，阴坡冰块失去平衡带动衬砌体下滑而使防渗工程遭受到的破坏，冰冻是因渠道混凝土接缝质量差，从而进水结冰冻胀，崩裂衬砌体造成的破坏。

3 渠道冻害的防治措施

防止衬砌渠道冻害，要针对上述影响冻胀的四个因素，采取综合措施，既从渠系规划布置、渠床处理、防渗排水、隔热保温，结构形式及运行管理等方面着手。

3.1 渠系布置

在新建渠系中应尽量避开粘土质土壤和高地下水位地段。由于青海工程的地理位置，基本处在亚粘土、砂壤土和粉质壤土。另外，渠系均在老渠附近，灌溉现状落后，地下水位高，故在防冻措施上采用多种措施。首先在地形条件许可的情况下，采用高填方渠，另外在渠系旁设排水渠，将地下水位控制在冻土层以下，并保证排水渠畅通，其次在渠线走向上尽可能地朝阳，以提高渠堤温度。

3.2 渠床处理

3.2.1 改变基土性质。对渠基土进行换填是一种防冻胀的处理形式，它既改变了渠基土的结构，又具有一定的保温作用，砂砾石非冻胀性土，有阻止毛细管水上升和排水畅通的特性。可以采用挖去渠床部分冻胀性土，换填砂砾石非冻胀性土的方法来减少冻胀量，以达到消除冻害的目的。借鉴国内外实例，结合我县具体情况，换填厚度一般应大于当地冻土深度的60%左右。

3.2.2 压实法。改变基土工程性质的另一种方法是将基土翻松压实，提高土的密实性和强度，降低透水性，达到削减基本冻土的目的，按基土的冻胀规律和部位，翻松压实厚度分别采用当地冻深的0.70-0.8倍之间。

总之，防止基土含水量的提高，是减轻冻害的基本方法之一。在有地下水的渠段，还应采取排水措施，降低地下水位，减少渠床基土含水量，从而达到了消除冻害和滑坡等危及渠道安全运行的不利因素。

3.3 隔热保温

将隔热保温材料，铺设在衬砌体背后或做成衬砌体，同时注意排水，以减轻或消除寒冷因素，从而达到防冻胀目的。

3.4 结构措施

目的在于防止冻胀，但从衬砌体结构方面，总结了一些经过实践证明了的防冻形式。

改变衬砌体结构形式，在衬砌体下铺设塑膜，塑膜下部设砂砾填层抗冻体，这样有效地防止了渗漏，同时地下水上升被融断，塑膜另外又起保温作用，这种方法实施简便，省投资，是防止和减少冻害的一种较好的办法。目前已采用的有：混凝土衬砌或浆砌石下部铺设塑膜和沥青玻璃丝布等方法。

“U”渠道砼衬砌。过去，多采用梯形或矩形砼衬砌，近年来，我县结合工程具体情况、条件，采用了“U”渠道砼衬砌，这种断面形式过水能力最佳，水流条件好，流速快，力学性能好，抗冻胀能力强，且具有占地面积少，投资省，衬砌速度快，质量高，一次成型等优点。选择砼浇筑“U”渠可以提高渠段刚度，增强抗冻抗裂的能力，经验证就地浇筑“U”渠道比预制板和现浇矩形板裂缝少50%～60%。是目前推广的一种很好的防渗防冻方法。

采用地下暗管输水，可以充分发挥圆形管件受力好的特点。在我县高寒条件下的优点在于暗管埋入地下一定深度，特别是冬季封管口，维持管内有较高的温度，可消除冻害。

运行管理。冬灌及春灌时间对衬砌的损害影响很大。冬灌越迟，冻害越甚。因此适当提前冬灌，冬灌停水日期比气温稳定通过零度日的时间提前7-10天，春季开始输水日期不应早于气温稳定通过零度日的时间，此外对渠道的裂缝进行维修，减少灌溉水对渠道基土的补给，搞好渠顶防护，保持排水畅通。渠旁植树对防止砼渠道的冻害有良好的作用，树的根系起到固坡保温作用，故运行管理是渠道防冻一个不可忽视的环节。