刚性护面渠道冻胀破坏分析与防治技术

姜海峰

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110000）

在农业灌溉和电站等工业用水领域，经常需要明渠引水，这就需要采用各种形式的衬砌以防止渠道渗漏和冲刷，提高渠道的利用效率[1]。然而，在我国寒冷地区，衬砌渠道普遍存在着比较严重的冻害问题，冻害不仅严重阻碍了渠道建设，还需要投入大量的维修资金。因此，季节性冻土区如何防止渠道衬砌冻胀破坏的发生，是渠道建设与管护中迫切需要解决的问题。

1 刚性护面渠道冻害破坏特征

在相同的地质水文条件下，渠道衬砌的断面与材料不同，其冻胀破坏的形式与程度也有所不同。刚性衬砌渠道使用的衬砌材料主要是砌石和混凝土，其主要特点是抗压性能好，抗拉性能与适应变形能力差，根据渠道的过水条件可以分为以下2种破坏情况。

1.1 冬季不输水情况下的全面冻结破坏

我国目前采用最广泛的是预制混凝土板衬砌渠道[2]。工程实践表明，预制混凝土板衬砌渠道抗冻胀破坏能力较差，由于渠道在冬季产生不均匀冻胀，经常造成接缝开裂或预制板本身产生裂缝。由于冻胀破坏的积累，还会造成混凝土板的隆起、错位。在严重冻胀破坏的情况下，混凝土板开裂错位严重，基本失去防冲刷、渗漏的作用。由于渠道进一步渗水造成渠床含水量增加，会使冻胀破坏逐年加重，最终导致全部衬砌毁坏，最终使渠道报废。

现浇混凝土衬砌也是我国刚性衬砌渠道的主要形式，这种衬砌的优点是衬砌本身的分块较大、厚度薄、接缝少，可以最大限度降低渠道的渗漏损失。现浇混凝土衬砌对渠床的不均匀冻胀亦十分敏感，在冻胀作用下，会产生隆起和以纵向裂缝为主的不规则分布裂缝。对东西走向的渠道而言，阴坡裂缝数量较多，一般呈连续性分布，可长达数十米甚至上百米。

浆砌石衬砌一般厚度较大，具有良好的整体性，抗冻胀性能优于混凝土衬砌渠道[3]。在轻微和中等强度冻胀破坏下，浆砌石衬砌一般表现为局部隆起和裂缝，在强冻胀破坏下，冻胀裂缝往往连片发生，并伴随松动、错位和滑塌。

1.2 冬季输水情况下的非全面冻结破坏

寒区衬砌渠道在冬季输水过程中不仅要面临水面冻结问题，还要面对衬砌冻胀破坏，每年春季都要花费大量的时间和人力物力维修[4]。这类渠道由于过水部分与上部在温度上差别较大，同时由于渗漏造成渠床含水率较高，衬砌的冻胀破坏主要发生在衬砌板的中部，且冻胀量大、鼓胀高，维修后容易再次复发，很难根治。首先，这种冻胀发生的部位高。由于渠道冬季输水时来水量较小，水面线一般在渠道边坡的中部波动，受温度荷载的影响，会在水面线以上部分发生强烈的冻胀破坏。其次，与冬季不输水的渠道相比，此类渠道的渠床含水率高，冻胀量也大得多，往往会在冻胀部位形成二台，在春季消融后形成稀泥和空洞。最后，发生冻胀破坏的渠道每年春季都要停水维修，且夏季不能过大水，在第二年冬季输水时又会发生冻胀破坏，年复一年极难根治。

2 刚性护面渠道的冻胀破坏成因

刚性护面衬砌渠道的冻害产生的原因是多方面的，主要取决于土质、水分、温度和衬砌结构等因素的影响。

2.1 土质因素

当渠床为粗砂、砾石等粗颗粒土质时，冻胀量一般较小，如果渠道的衬砌本身具有较好的抗冻胀破坏能力，则渠道衬砌的冻胀破坏不明显[5]。例如新疆地区的许多引水渠道通过砂砾层，这里的有些浆砌卵石衬砌经过四十多年的运行，并无明显的冻胀破坏；辽宁省刘大灌区的部分渠道渠床也是沙质土，但是其混凝土衬砌仍产生比较明显的冻害，这不仅与当地的地下水位较高有关，同时也说明刚性混凝土衬砌的抗冻胀变形能力较低。

当渠床的土质为细粒土，且含水量较大时，就会产生较大的冻胀量，如果渠道采用的是混凝土等抗冻胀变形能力较低的刚性衬砌时，就会产生严重的冻胀破坏。例如，辽宁省碧流河灌区的部分渠道，在有地下水补给的条件下，渠床的最大冻胀量达到了43 cm，在上述地区，如不采取有效措施，即使采取柔性衬砌结构也会产生严重的冻胀破坏。

2.2 水分因素

渠床的水分条件是衬砌冻胀灾害发生的决定性因素，按水分条件，渠道衬砌的冻胀破坏主要包括两种形式：一是由于地面或衬砌本身渗水，造成渠床土体的含水量增加，因而产生冻胀破坏，这种情况下冻胀量一般不大，冻害也相对较轻；二是渠道所在地的地下水埋藏较浅，由于地下水的补给作用造成冻胀破坏，这种冻胀破坏的冻胀量一般较大，会使渠道衬砌形成严重的冻胀破坏。由于土体水分含量对冻胀变形的影响十分明显，而渠坡下部和渠底的含水量最大，因此，渠底和渠坡下部的冻胀量最大。但是渠底和坡脚接触位置相互约束，其冻胀量反而不大，所以渠道的冻胀破坏多发生于靠近坡脚和渠底部位，这主要是水分因素所决定的。

2.3 温度因素

东西走向的渠道，其阴坡的冻深要远大于阳坡的冻深，这主要是由于阳坡的日照时间和强度大，相对温度较高的原因。由于温度的影响，不仅阴坡的冻深明显大于阳坡的冻深，阴坡和阳坡由于温度荷载的影响，在冻结与融化时间上存在差异：一般阴坡先冻结后融化，而阳坡后冻结先融化。以上因素的共同作用，造成渠道阴坡冻害比较严重。

2.4 衬砌结构因素

前文提到，我国的输水渠道大多是混凝土和浆砌石等刚性衬砌，由于此类衬砌结构较薄，抗不均匀冻胀的能力较差，当渠床发生不均匀冻胀变形时，极易引起衬砌结构的强度破坏，出现各种裂缝和变形。显然，结构形式也是影响衬砌冻胀破坏程度的重要因素。

3 刚性护面渠道抗冻胀措施

渠道冻胀是我国北方寒区渠道体系的重要破坏因素，每年会造成巨大的经济损失。影响渠道冻胀破坏的因素比较复杂，因此，应当根据渠道所在地区的气温、地下水位、土壤特征以及多年平均冻深，选择合理的防护措施。对刚性护面渠道而言，其防护措施主要是以适应和消减渠床土体的冻胀变形为主要手段，同时辅以经济实用的衬砌结构加强措施。

3.1 不同性质渠道的防护重点

刚性衬砌渠道在应用上主要分为两种：一是冬季仍有输水要求或虽无输水要求但是渠道内仍保留一定水深的渠道。这种渠道整个冬季保证有水，同时渠水不会被冻透，则渠底不需要采取任何防护措施。这类渠道的防护重点是水面上下波动范围，尤其是冻结时冰面停留位置，在水面或冰面以上30～50 cm范围内的阴坡是防冻胀破坏的关键部位，必须要予以足够重视。二是冬季不运行的放空渠道，其防护重点是阴坡下部和渠底。对那些虽有冬灌任务，但是灌溉任务结束后即停水放空的渠道，应按冬季不输水渠道进行防护处理。

3.2 渠床冻胀量较小的渠道防护措施

1）如果渠道属于中小型梯形混凝土衬砌渠道，可以采用预制空心板结构。在保证经济性的前提下，空心板的厚度应在原来实心板基础上有所增大，以达到保温隔热作用，减少渠床基土的冻结深度，减少冻胀破坏。为增强衬砌结构的强度，建议采用钢筋混凝土梁，以提高其弯曲和抗剪强度。

2）对设计流量小于2 m3/s的渠道，建议采用U型渠道设计。设计优势是具有一定的反拱作用，当砌结构对基土冻胀变形作用有较强的抵抗力，可以有效减轻冻胀破坏。此外，这种结构在春季基土融化后，复位效果较好。

3）对设计流量小于9 m3/s的渠道，建议采用弧形渠底和坡脚的梯形坡面渠道。每隔3～5 m设置2～3 cm的伸缩缝，在缝间填充具有低温柔性、防渗、抗老化的填缝材料。

4）对大型渠道，建议采用现浇混凝土楔型板、加厚板、预制门型板等防渗结构，提高渠系的防渗效果，减小渠床基土的含水率。同时，对基土进行夯实压密，压实范围以工程设计为准，压实系数不小于0.95。

3.3 渠床冻胀量较大的渠道防护措施

1）基土换填措施。对冻胀量较大的基土要进行换填，换填材料应采用砂土、砾石、碎石和矿渣等方便易寻的非冻胀土[6]。换填材料越纯净越好，一般细颗粒含量不超过10%。对渠道断面的不同部位采取不同的换填深度，换填比例可依据SL18-2004《渠道防渗工程技术规范》，具体结果如表1所示[7]。为防止水流对换填层的冲刷，应在换填层外围用土工布保护。

表1 基土换填深度表

2）保温隔热措施。为减小温度因素的影响，可以在渠道衬砌下铺设隔热材料，以消减冻结深度，减轻冻胀危害[8]。目前，工程实践中常用的保温材料是聚苯乙烯泡沫塑料板，在采取隔热措施时，保温隔热材料在强度、压缩系数、耐久性和抗腐蚀性方面需要满足工程设计要求。保温层的铺设一般是全断面铺设，但是前文提到的冻胀破坏关键部位应当适当加强。

3）排水措施。在相同工况下，渠床的含水量以及地下水位是影响冻胀破坏的关键因素，因此做好排水措施是防冻胀破坏中不可忽视的问题。①当地下水位低于设计冻深时，可以在渠道底部每隔15～20 m设置一眼盲井，为土层中的水分留出排泄通道，降低基土的冻胀量。②当渠底进行砂卵石置换时，可在冻深底部设置排水暗管，并在集水管周围采取反滤措施，使渗水能够排出堤外。③对于冬季输水的渠道，如果渠道两侧有渗水补给渠床，应该设置反滤排水体，以免浸湿渠床。

4）土工膜防渗措施。进行衬砌防渗措施也是降低冻胀破坏的重要工程技术手段。建议在渠道施工时在混凝土板下铺设一层土工膜，构建板膜复合结构。根据赵彬彤的工程经验，这种结构下渠床含水量可以下降10%～30%，冻胀量减小33%～60%。在施工中，建议选用0.15～0.30 mm的塑料膜，并在混凝土与塑料膜之间铺设厚度为2～3 cm的低等级砂浆过渡层，其结构如图1所示。

图1 土工膜防渗措施示意图

4 结语

我国北方寒区渠道冻胀破坏十分普遍，不仅影响了渠道功能发挥，还会造成比较严重的经济损失。因此，渠道防冻胀破坏已成为北方地区渠道设计中必须要考虑的重要问题。为了有效避免渠道冻胀破坏，不仅需要加强渠道运行过程中的管理和维护，还需要以冻胀发生的机理为基础，结合当地的实际情况，采取切实可行的抗冻设计措施，提高渠道的防冻性能，保障渠道的安全运行。

［参 考 文 献］

［1］张宇峰，何武全，张绍强，吉晔.渠道防渗保温防冻胀标准化技术模式［J］.中国农村水利水电，2014（03）：62—64.

［2］丁涛.混凝土衬砌渠道防冻胀技术在节水改造中的应用［J］.水利科技与经济，2015（03）：111—114.

［3］李严坤，王国志，屈明洋.渠道衬砌防渗和防冻胀的设计与探讨［J］.黑龙江水利科技，2015（07）：60—62.

［4］何武全，张绍强，吉晔，杜秀文.季节性冻土地区渠道防渗防冻胀技术与应用模式［J］.节水灌溉，2012（11）：67—70.

［5］王海娟，程建军，李东升，刘建军，余书超.水利工程抗冻技术教程［M］.北京：中国水利水电出版社，2016.

［6］李根，何武全，宋清林，张宇峰.混凝土衬砌渠道置换防冻胀标准化技术模式［J］.节水灌溉，2015（04）：79—83.

［7］水利部编著.SL18-2004，渠道防渗工程技术规范［M］.北京：中国水利水电出版社，2001：157—158.

［8］张彦武.聚苯乙烯泡沫板在渠道防冻胀中的运用［J］.甘肃水利水电技术，2009（01）：7—8+39.