寒冷地区渠道防渗工程的冻胀现象与防治措施

□马豪豪（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局）

寒冷地区渠道防渗工程的冻胀现象与防治措施

□马豪豪（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局）

在我国北方寒冷地区，渠道工程由于存在渗漏问题很容易造成冻胀现象，使渠道进一步受到破坏并失去流水运输能力。文章主要从渠道防渗工程冻胀类型及破坏特征入题，探讨渠道基土土体的冻胀破坏机理及受力分析，并给出相应的冻胀现象有效防治方案。

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0 前言

渠道防渗工程的冻胀现象一般出现于渠道衬砌体位置，它的表现形式就是渠道基土冻胀并引发衬砌板错位、隆起和滑移等现象，造成渠道伸缩缝、衬砌体的破坏开裂，最终使渠道丧失防渗功能。按照寒冷地区冬季温度的变化，冻胀破坏作用方式可以大体分为两类，即由渠道基土所引发的冻胀破坏现象以及由渠道内水体结冰而造成的冻胀破坏现象。

1 寒冷地区渠道防渗工程的冻胀现象分析

在我国北方，寒冷季节的低温常常会引发季节性冻土地区的形成，它们给当地的渠道带来麻烦，直接造成渠道冻胀破坏问题，影响渠道防渗功能。一般来说，渠道的冻胀破坏会随着温度波动而产生浮动变化，它是一个由表及里、循序渐进的过程，而它所造成的破坏因素也会体现在多个方面。

1.1 渠道基土的冻胀机理

北方寒冷地区每年有近1/3时间处于气温长期偏低状态，所以渠道基土一定会发生体积膨胀。究其原因，就是因为在水分补给畅通的渠道下，土体会由于存在大量的毛细水和自由水而发生受冻膨胀现象，如果此时渠道基土的含水量没有达到起始冻胀含水量，那么土体中的未冻水与冰就会融化并被渠道基土颗粒所承载并发生冻结现象。在进入寒冷地区的深冬季节以后，负温度环境影响越来越大，基土中所承载水分就会逐渐冻结，形成冰晶体并出现于土层及衬砌体接触面的空隙之间，而此时基土土体更深层次的水分也会受到毛细管作用而像冰晶体位置前移，使基土土体中的冰晶体体积呈现逐渐增大趋势。随着基土中冰结晶体体积的增大，所形成的水层也会不断挤压下方未冻结土层，最后导致整个渠道渠床表面的隆起和冻胀现象，最终破坏原有渠道基土土体结构，形成标准冻土层。外界气温下降越多，基土水分迁移越快，冻土层也会随着冰晶体体积的增大而逐渐加深增厚。

1.2 渠道冻胀的破坏机理

渠道冻胀一定会造成基土体积膨胀，它也是导致渠道边坡被冻胀破坏的主要诱因之一。当土体的冻胀量越来越大时，冻胀就会变得越来越不均匀，其作用在衬砌体上的作用力也会越来越大。如果渠道衬砌体严重约束渠道基土土体并使其发生冻胀变形，就会引发冻胀力，一旦冻胀力超过渠道衬砌体的最大约束力极限值时，衬砌体就会被破坏。考虑到渠道渠床中的土质、温度与水分都是不均匀分布的，所以渠道渠床也会产生不均匀冻胀效果，导致渠道衬砌结构出现接缝及衬砌结构开裂现象。当冻胀程度越来越大时，渠道衬砌结构就会产生严重错位变形现象，完全破坏渠道及其基土土体结构。

1.3 渠道冻胀受力

在冬季冻土地区，渠道的衬砌要承受多种荷载，其中主要包括自重荷载与冻胀力荷载。其中冻胀力荷载就包括了单位切向冻胀力、竖向冻胀力以及水平冻胀力3种。就目前我国渠道防渗工程发展状况来看，渠道衬砌多采用的是刚性衬砌，它的结构为混凝土与浆砌石材料，是典型的刚性结构，这种结构虽然坚固但很难适应冬季高寒低温所造成的不均匀冻胀现象，极易产生渠道衬砌变形。通常情况下，北方季节性冻土地区输配水渠道防护体多采用的是贴坡式渠土护面结构，而并非标准承重结构，所以一旦渠道护坡变形就会产生约束作用，所以如果从冻胀受力的角度分析，渠道衬砌体是很容易由于低温而造成受力破裂的。

再一方面，北方寒冷地区在冬季由于其渠道多半不行水，所以渠道冻胀破坏现象一般发生于渠底及坡脚位置，这里的冻胀量普遍会大于渠顶上部位置，而且一般呈现向上凸起型结构。当冻胀变形量达到最大点时，渠道衬砌板就会发生断裂，具体情况如图1所示。

图1 渠道衬砌板的冻胀破坏现象示意图

如图1，当坡脚B、C两点发生渠道衬砌体冻胀变形，它们的变形方向必然是垂直向上的。按照冻土力学来讲，渠道土体的冻胀力与建筑物基础间会形成相互力作用，它被划分为切向冻胀力与法向冻胀力，如图1B、C两点的垂直方向变形就是由2种冻胀力共同作用引发的。再看图中E点，它表示渠道底板由于断裂而严重影响渠道过水能力，形成冲刷渠基。如果渠底板断裂而不及时修复，就会造成渠道渗漏危险，甚至导致渠道输水功能失效。同时，由于渠道底部两端会因约束作用而产生法向冻胀力α，当α分别按B、C垂直方向边坡变形形成冻胀分力α1与沿坡方向冻胀力α2时，其中α2也会对渠道衬砌体起到沿坡向上的推动力作用，这说明α两点决定了渠道冻胀力的方向及受力点变化，根据它们来辨别冻胀力的受力方向，就能判断出渠道的变形状况，如图2所示。

图2 渠道衬砌板的各个受力方向及受力成分分析示意图

2 寒冷地区渠道防渗工程的冻胀现象有效防治途径

由上文分析可以得知，在寒冷地区渠道防渗工程出现冻胀现象主要取决于渠道基土土体的冻结水分迁移状况与冻胀作用本身。换言之，是渠道的土体土质与水分走向发生了沿渠变化。为了尽量削减和消除这种冻胀现象，最大限度保护渠道衬砌体，让其位移量与渠基土冻胀量处于可承受范围内，文章提出以下几点防治方案，希望对缓解渠道防渗工程冻胀现象起到一定效果。

2.1 物理化学防治

渠道防渗工程产生冻胀现象与渠道基土土体自身特性有关，而采用物理化学方法可以有效改变土质特性，交换基土土体中的阳离子与盐分，对冻胀现象产生一定的抑制作用。当基土土体中的水分迁移强度与冰点由于阳离子与盐分的交换而发生变化时，冻胀现象也会随之削弱。一般来说目前比较常见的用以改善基土土体物理化学属性的方法包括以氯化钠掺入盐分为主的人工盐渍化改良土方法，在基土土体中加入憎水性物质的憎水物质改良土方法，或者直接用聚合剂与分散剂作为添加剂的土颗粒聚集分散改良土方法等。以上物理化学措施对防治如今的渠道基土土体冻胀现象有显著效果，而且操作相对方便简易，且材料来源相对较广，但这种方法抑制冻胀现象的有效期较短，仅能维持3～5 d左右。

2.2 回避防治

回避冻胀机理就是采用回避冻胀方法来降低冻胀对渠道所造成的破坏性，它要求明确建筑物的型式选择和总体结构形式布置，进而避免不利冻胀条件发生使渠道受到冻害影响。一般来说，目前比较常见的回避防治方法有埋入、隔离和架空3种。

架空通常指将原有板型基础改为桩基础，进而使整个建筑物或部分结构被架空。在这里，渡槽可以被认为是渠道中的主要架空形式。该方法充分利用了架空消能设施及架空管路，在渠道两侧无填土位置设计了专门的挡土墙与U形槽；埋入法则是将渠道的部分结构埋入填土层下层或冻层，该方法比较适合于某些水工渠道建筑物，也适用于某些灌渠分水闸中；最后的隔离法则在渠道基土土体基础上与周围土间布设了相应的隔离措施，它的作用就是防止土体与渠道基础表面形成冻结现象。

2.3 隔热保温防治

隔热保温防治是缓解冻胀的有效方法，它利用泡沫水泥、炉渣、聚苯乙烯泡沫板、膨胀珍珠岩等保温层制品来作为主要隔热层，主要铺设在渠道底部及两侧边坡上，形成隔热材料导体。它能够有效控制渠道基土土体的热量输出输入，确保冻土内部的水热耦合作用始终处于一个时空重分布均匀状态，不容易导致渠道出现冻胀现象。一般来说，采用隔热保温防治方法还必须满足保温材料的基本强度和压缩系数，包括材料本身的吸水性、耐久性和抗腐蚀性等。同时为了最大限度消减保温隔热层冻深值，在隔热保温过程中必须残留一部分冻土基土土层，这样能够有效降低渠道防渗工程成本。

2.4 防渗排水防治

防渗排水防治也是寒冷地区渠道防渗工程的最基本冻胀现象防治方法，它主要有两方面要求，地面积水排出和地下水位降低。在降低地下水位以后也要阻隔外水补给，同时降低季节性冻土层范围内基土土体的含水量。实际上，必须按照渠道防渗工程的不同地质状况、基土土体条件来采取相对应的隔排水措施，其目的也是为了有效控制水分条件，最大限度降低冻胀所带来的破坏效果。

3 结语

总而言之，在北方季节性冻土区，渠道冻胀破坏现象相当严重，它不但造成渠道功能的损害，也会导致水体直接结冰。如果渠道在冬季有输水任务时，一定要做好渠道防渗工程的冻胀应对策略，文章主要围绕土质、水分及温度3方面影响因素来分析问题，并鼓励采用新技术、新材料来创新防治措施，更好解决冻胀破坏问题，确保渠道输水安全。

（责任编辑：左英勇）

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2016-08-16