浅析砼衬砌渠道冻胀与冻害成因及防治措施

单鹏超

摘 要：南水北调中线工程大部分位于较为寒冷的北方地区，由于渠道水渗漏以及地下水的其他水源的补给等因素，渠道基土含水量较高。渠道衬砌混凝土在经历冬季后会出现不同程度的冻胀损坏，例如裂缝、错台以及表面冻融等。在天暖冰雪融化后又导致渠基土过于湿润，致使渠基土自身的稳定性能和强度降低，引起衬砌体的破坏。这些对工程的正常运行会都产生严重的影响，不仅浪费大量的人力、物力、财力去维修和管理，并且直接制约着工程效益的发挥，浪费宝贵的水资源，更为严重的还会影响工程安全。

关键词：砼衬砌渠道；冻胀与冻害成因；防治措施

冻胀以及冻害的危害非常大，所以如何解决渠道的防渗抗冻胀问题是必须要加大科研力度解决的。例如在渠道衬砌板和渠土之间铺设一层保温防渗的土工膜、添加土壤固化剂等方式，这些方式发挥了一定的作用，但其中一些造价成本过高抑或是不能因地制宜，并没有被大范围的推广，所以还需要对渠道防渗抗冻胀这一课题进行深入的研究。

1 砼衬砌渠道冻胀与冻害成因

1.1 地下水对冻胀破坏的影响

冻土中水分迁移的宏观表现是冻胀的实质。渠道在停水后，内部的水位降低，由于存在相对压差，大量渠道外部的地下水向渠道内部渗透，渠道边坡的混凝土衬砌板处于极不稳定的状态，从而发生位移、滑落。由于地下水渗透的作用，渠基土的含水率处在较高的水平，这会使衬砌板本身出现裂缝甚至断裂。渠基土的土质均匀时，渠道各部分的冻胀量不随冻深的增加而增大，基土水分的补给是决定冻胀程度大小的主要因素四。在土质相同的条件下，渠基土的冻胀程度与地下水位的高低几乎呈反比关系。渠基土的含水率和水分补给与地下水位的高低关系密切，在封闭的体系中，土壤的持水量决定了其冻胀的程度；在开敞的体系中，尽管土体初始的含水率很低，但外界水分的补给会强化其冻胀程度。

1.2 渠基土质对冻胀破坏的影响

土质是衡量冻胀土与非冻胀土的主要因素。渠土土质从宏观上讲，包括土颗粒粒径粗细、土壤密度和有机物含量。一般认为，土体中的土颗粒的粒径越细，土体的冻胀程度就越大。从土颗粒粒径的粗细角度分析，土壤颗粒之间的孔隙较大，能够使水体充分渗透，土中不存在停留的水分，反之，在土颗粒粒径较小的土体中，颗粒之间的孔隙较小，从而使土体发生冻胀。在土体含水率，低温等因素相同的情况下，土质不同，水分的运移量也不同，在粘土中，之间的电分子引力大，水分的运移量很少，而且只析出较少的晶体，冻结的速度较慢；在粉质粘土中，基土中的毛细管数量多，形成了地下水向冻结锋面迁移的通道，从而使土体的含水率不断上升，冻结速度快，冻胀剧烈。在土体含水率和地温一定时，随着土体密实度的不断增加，土体的冻胀性先增大后减小，对于密实度较小的土体，土颗粒之间有很大的孔隙，有充分的空间使冰持续膨胀，土颗粒的间距也不发生改变，冰的膨胀空间有限，土体的膨胀量变大。随着土体密实度进一步加大，土体的几乎不存在冻胀。

试验结果得出渠基土的压实度，含水量及冻结温度对于冻胀量大小的影响程度，从大到小依次为土壤含水率、压实度，与温度的关联性最小。

1.3 渠基土水分对冻胀的影响

相关试验研究发现，在负温作用下，土体的含水率0.7-0.9wp（wP为土的塑限含水量）时，会发生冻胀。当没有其它水源补给时，只是土中的孔隙水冻结，土体的冻胀一般是不明显的；当有其它水源的补给时，由于土体毛细管力的作用，水分向冻结区运移，使原本结晶的水体积增加，造成渠基土各部分的水分分布发生了变化，上下部分的水分含量不一致，加剧了土体的冻胀。另外，当渠道中的水向渠床方向渗流时，不仅增加了渠基土中的含水量，而且渗流时产生的渗透力对渠道衬砌板也有破坏的作用，这无疑加剧了渠道的冻胀破坏。

1.4 渠道走向对冻胀的影响

渠道的走向不同，断面的各个部位受到的光照强度，渠基土的含水率等因素有所不同，渠道的阴坡和阳坡上的冻胀破坏也不相同。南北走向的渠道，光照时间和光照强度基本一致，阴阳两坡的冻胀规律大致相同，阴坡的冻深略大于阳坡约10%～20%。东西走向的渠道，阴阳两坡的温度分布和冻胀规律都有所不同，冻深和冻胀程度相差很大，阴坡比阳坡首先进入冻结，冻深大于阳坡，冻胀强度也大于阳坡四。

1.5 负温对冻胀的影响

季节性冻土地区是不可避免会出现持续的负温气候，这是衬砌渠道发生破坏的主要条件，外部气温的变化会直接影响渠道地下温度的变化，土体温度的下降导致冻深和冻胀量的不断变大，根据研究发现，全区的冬季气温呈逐年上升的趋势，关于冻深的数据均减小。

2 防治措施

2.1 抗冻害的设计计算

在对冻害层以及冻胀量进行设计时一定要依据补砌渠道抗冻胀设计规范的计算方法进行严格的设计，同时还需要依据《水工建筑物抗冰冻设计规范》（GB/T50662-2011）中规定的最大冻胀量以及使用工程地点多年平均冻土深度进行严格的计算，通常情况下注意包括渠底中心、坡中、内坡脚以及坡顶等主要部位，在此基础上来有效的计算最大冻胀量是否能够有效的满足衬砌结构允许变形值。假如使用置换冻土方式来进行防冻胀，那么还需要对冻土置换的深度进行科学的计算。

2.2 渠道选线及断面形式的确定

在渠道设计中，其断面的形式以及选线对渠道防冻涨具有很大的影响，所以在进行选线时最好选在地下水位比较低而且渠床位置处的土壤比较好的区域，而且其形式最好是以垫方为主为最好，这样就能够在很大程度上防止渗水而导致的冻胀情况出现。此外如若条件允许，可以置换已写砂砾垫层，这样的防冻效果会更好。此外通过选择合理的渠道衬砌形式，也可以有效的降低冻胀的破坏程度。

2.3 工程防冻措施

工程防冻措施就是在渠道衬砌的过程中采用人为的方式，辅以工程其它材料，达到防冻胀目的，根据工程条件，因地制宜，可选用以下方法。

1）隔水法在衬砌板下采用埋藏式隔膜（如土工膜等）隔断地下水对冻层的水分补给，而减少渠床的冻胀性。

2）置换冻层法在冻层深度内将衬砌板下的冻胀性土置换成砂砾石等非冻胀性土，通过在置换材料以及原状土之间设防滤层，但是置换得深度要根据冻层的结冻深度分布情况以及衬砌结构的允许变位来进行计算，此外在对材料置换厚度进行确定时也要通过对衬砌渠道的底、坡、顶的阴、阳面进行计算来确定。

3）基土翻夯压实法对渠道基土翻夯压实，可改变基土的物理性质，提高基土的密实度，减少基土的含水量，减缓冻胀，增强土体抵抗变形和相对维持稳定的能力，从而达到防冻胀的目的。

4）排水法在渠道基土冻层下，设置纵横向暗管排水系统，降低地下水和基土含水量，把渠道冻结层中的重力水和渠道渗水排出渠底外，而减少水分迁移。

总之，通过对冻胀以及冻害部位采取有效的处理措施，我们发现通过对渠道衬砌工程的实际情况进行有效的考察，并且依据不同区域不同的地质情况进行综合的分析与考虑，能够更加有效的提高防冻胀的效果，而且也能够在很大程度上提高渠道衬砌工程的使用寿命。但是我们需要注意的是，在防治过程中如果一种解决方式不能对其进行有效解决的话，可以采取综合治理的方式，由此来确保治理的效果。

参考文献：

[1] 石文明，于小威.寒冷地区衬砌渠道冻胀机理及防治措施[J].黄河水利职业技术学院学报，2014，04：30-32.

[2] 何武全，周東让，何芳侠.季节性冻土地区衬砌渠道的冻害成因与防治措施[J].水科学与工程技术，2010，01：45-47.

[3] 陈俊涛，侯晓华.混凝土衬砌渠道冻害及防治措施[J].塔里木大学学报，2006，04：81-82.

[4] 张晓.混凝土衬砌渠道的冻害成因与防治措施[J].科技信息，2011，02：329.