灌区混凝土防渗渠道冻胀的防治技术

【摘要】灌区运营过程中，防渗渠道的冻胀破坏是影响渠道使用年限的一个主要因素，做好渠道防渗防冻胀施工可以全面提高水资源利用率，节省用水量，延长渠道使用寿命。本文以实际工程为例，首先对灌区混凝土防渗渠道常见的冻胀表现形式进行介绍，然后结合灌区具体情况，提出了相应的冻胀防治措施，具有一定的借鉴参考价值。

【关键词】灌区混凝土;防渗渠道冻胀;防治技术

一直以来，混凝土防渗渠道冻胀破坏问题都是影响渠道工程质量的一个主要因素。混凝土防渗渠道一旦出现冻胀，不仅会对渠道工程的经济性、高效性和安全性造成影响，同时还会增加灌区的管理难度，减少水利工程使用寿命，所以研究混凝土渠道冻胀破坏因素是当前水利工程工作人员需要重点进行研究的一个课题。

1、工程概况

新疆三屯河灌区地势较复杂，分南部山区，中部平原，北部沙漠三大部分。所处地区为大陆性干旱气候，昼夜温差大，全年夏季炎热冬季寒冷，日照充足，年降雨平均在400～500mm以上，蒸发量大，年平均气温7℃，在极端环境下气温为-38.1℃～41.2℃范围内，灌区最大冻深为1.2m，灌区混凝土防渗渠道主要采用换填砂砾料的方法对基土进行换填，进而达到防治渠道冻胀的目的。但是每年冬季，渠道衬砌混凝土表面依然会出现冻胀、断裂等问题，需要采用相应的冻胀防治技术进行处理。

2、灌区混凝土冻胀表达形式

2.1 灌区表面剥蚀

本灌区渠道均由混凝土形成衬砌，由于砼材料存在水分，当温度达到零下时，材料内部水分会结冰，引发体积膨胀，当材料内部作用力远超过砼强度时，渠道将会形成裂缝，使得材料吸水性增加，通过多次冻结-融化-冻结等循环作用，使得灌区内砼表面出现砂浆面层剥蚀现象。研究发现，引发这种情况的原因是施工时砼表面没有振捣密实。

2.2 灌渠发生隆起、架空

灌区内存在某些渠段的地下水位偏高，渠低常出现冻胀量现象非常严重，相对而言，渠顶冻胀量小一些。观测发现，对于地下水位偏高的渠段，常发生一些衬砌大幅度隆起和架空的问题，经常出现问题的部位是渠底中部或坡脚处。

2.3 灌渠鼓胀形成裂缝

冬季，本灌区温度相对很低，渠道中的砼衬砌板和集土凝结为整体，受到材料冻结力、冻胀力、砼板本身拉应力共同作用，一旦应力值超过低温下砼板的极限应力值时，渠道砼板体将出现损坏。整个灌区内，相对尺寸大的砼板其安置沿着水0流方向，此时，衬砌结构易形成冻胀裂缝，出现裂缝的位置通常位于渠坡脚以上的 1/4～2/3 坡长范围，以及渠底中部。观测发现，当冬季灌区内部储存水量时，裂缝常发生在水面附件的渠坡上。

2.4 灌渠滑塌

本灌区冻胀后还会出现部分衬砌渠段滑塌情况。经过多次反复冻结-融化作用，造成坡地、坡脚处砼衬砌板出现架空和隆起现象，当春季来临后基土发生融化，原受力部位因作用力失衡，造成砼衬砌板被推开，发生移位现象，进而使得上部衬砌板发生塌落，渠坡出现滑塌的现象。

2.5 部分渠段整体上抬

观测发现，本灌区某些渠段因砼衬砌结构整体良好，基土充盈，渠道内部衬砌结构相对较完好。但是，经过水准仪测量发现，该渠段出现整体抬升或下沉现象。

3、冻胀原理

渠道冻胀的因素有土壤内土体、水分及温度等，渠道发生冻胀破坏原理是低温作用下使渠道基土体积膨胀，达一定强度后引起渠道衬砌混凝土结构破坏。冬季持续低温是引发渠道冻胀损坏的前提;因施工质量问题，材料内含足量的毛细水、自由水，以及外界水分的补给，这都是引发渠道冻胀问题的必要因素;渠道结构材料的热胀冷缩性质是引起渠道冻胀损坏的作用原理。由此可见，水分的存在是引发渠道冻胀损坏的必要因素。

调研发现，该灌区渠道冻胀损坏主要出现在中下游。分析可知，本灌区中下游的土壤颗粒细、地下水位低、土壤内毛细水和自由水量大，当持续低温时，土壤内部结构因低温受冻使得体积膨胀，引起渠集土体膨胀，砼衬砌结构移位，造成渠道冻胀损坏。调查发现，渠道冻胀损坏严重影响到本灌区的经济发展，故提升渠道建设质量就显得非常重要。

4、灌区渠道冻胀防治办法

4.1 渠基土换填法的应用

渠基土换填法的优点是保温作用显著，可以优化渠基土体的结构，主要表现为：当渠道建设处换填材料充裕时，渠基土换填法可降低渠道建设成本;当整个渠基土彻底换填为满足工程需求和相关规程要求的合格土质时，渠基土换填法可长久解决渠道冻胀损坏问题的发生。渠基土换填法的缺点是换填土方量大，相对于换填材料需要长距离运输的情况时，选择该方法会使得施工成本提高;渠基土换填的施工难度较大，难以把控渠基土换填施工的整体质量。

本灌区部分冻胀损坏渠段较严重的地方，其渠道周围土壤材质弱冻胀土材质-沙砾石和风积砂，以及该渠段选择的换填方式是半挖半填，结合这些因素，本灌区选用渠基土换填法可以有效的防治渠道冻胀损坏。后期观测发现，运营效果良好。

4.2 雷诺护垫的引入

本灌区原渠底选用了预制砼板护砌防渗，因工程开始施工为五月份，处于农业灌溉高峰期，相对地下水位很高，渠底部位有泥岩挖出。经过专家分析，为避免变形、冻涨、冲刷等影响，可将渠底预制砼板防渗调换为柔性防护，即雷诺石笼护垫形式，选用了镀锌双绞合低碳钢丝网格雷诺护垫，本产品是一种新型的镀锌合金产品，结构内装卵石，透水性良好，可以在水下保持20年不生锈，具有良好的防冻胀性能。本工程在同年十月竣工，次年正式进入运营期，经过后面几年的运行观测发现，雷诺护垫的引入大大改善了北方地区冬季渠道渠底鼓包、冻涨、变形等情况的发生概率，很适合季节性施工，不需要维修。

4.3 设置合理的渠道伸缩缝

现场观测发现，本罐区裂缝发生渠段大都在2m～4m内，其中3m～4m间最多。结合观测结果，初步设计渠系改建时布设合理的施工缝于2m～5m内，避免布设过密，易增大施工量，减缓施工进度;布设太稀，不能起到防水作用。结合施工的便利性，决定间隔3m～4m布设一道，底端还将增加变形缝，并增厚基础衬砌材料，防止材料不均匀造成沉陷及渠道断裂。结合缝隙漏水情况发现，漏水原因是缝隙里面未填充塞物或填塞物未起作用，故在进行缝隙铺设时需选择低温延展性好、高温稳定性强的防渗漏材料。本渠道选择了新型的材料-SBS改性沥青防水卷材，该材料选择SBS橡胶改性石油沥青作为浸渍覆盖层材料，用聚酯纤维无纺布、玻纤毡、黄麻布等来作胎基，防粘隔离层材料为塑料薄膜，经过选材、配料、共熔、浸渍、复合成型、卷曲等多道复杂加工工序制作而成，其低温柔韧性非常强，具有较高的防水性能。该卷材耐高温性能非常好，温度适用范围较大，在-25℃～+100℃范围内均可正常使用，弹性、耐疲劳性、耐撕裂能力较强，常适用于北方寒冷地区，对于变形和振动较大的民用性防水建筑工程同样适用。本方法最大的特点是：施工与工程主体同步进行，无需其他设备，施工方便，工期较短。

4.4 引入排水管、排水沟

罐区渠道中现浇混凝土加塑膜双防渠段部分，有的地方地下水位远超过渠底水位，因其防渗措施选择了混凝土加塑双防形式，造成地下水无法顺利排出，进而导致冻胀损坏渠道，结合工期短、任务重、节约成本等因素，上级领导商定，最终决定采取在总干渠渠内坡堤脚处增设排水管道的方法，将渠底地下水经由排水管顺利引出渠床，进而减小地下水位，有效的降低了渠道冻胀损坏的几率，大大改善了该段渠道冻胀损坏的程度。对于部分全挖方的渠道，需增加排水沟，以此减小地下水位和基土的含水量，排水沟的设置有效的将渠床冻结层里的重力水和渠道旁渗水引出至渠处，大大降低了本罐区地下水位，有效避免了因地下水位过高造成的渠段冻胀损坏情况。

5、结论

总而言之，在选择冻胀破坏处理方式时，要考虑工程经济性以及冻胀的三大影响因素，结合工程的具体情况采取相应的处理措施，将多种冻胀方法综合使用，主次分明，充分消除或减轻冻胀对混凝土渠道造成的破坏，延长渠道的使用年限。

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作者简介：姓名：古丽巴哈·吾斯曼（1982年1月）性别：女，新疆省乌鲁木齐市！职称：工程师！本科学历，研究方向：水利工程.