现浇混凝土渠道施工期冻胀原因及预防措施

范继友，刘广辉，任泽俭

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109）

南水北调济南至引黄济青明渠段工程呈东西走向，全长111.26km，其中，混凝土现浇衬砌渠道长76.7km，沿小清河新辟梯形明渠，渠底宽9.1～13.5m，渠内坡 1∶2.25，外坡 1∶2.0，渠道纵坡1/18000，采用全断面现浇混凝土防渗衬砌。设计流量为50m3/s，加大流量为60m3/s。

渠底采用中粗砂反滤盲沟+透水管逆止排水防扬压，渠底纵向伸缩缝沿输水渠方向布置。横向伸缩缝垂直于输水渠轴线布置，长度与输水渠横断面轮廓相同，渠底横向伸缩缝每隔3.5m设置一条，渠坡每隔28m设一道横向通缝，其余伸缩缝均为半缝，切缝深度6cm，缝宽均为1cm，渠道衬砌采用C20W8F200素混凝土。

1 渠道混凝土衬砌型式及施工工序

1.1 结构型式

明渠段全断面机械现浇高性能混凝土面板防渗渠道，混凝土衬砌结构型式分为两种：型式Ⅰ为板下换填砂砾石垫层防冻胀、渠底碎石盲沟逆止排水防扬压；渠道衬砌自下而上铺设10cm厚中粗砂、10cm厚碎石垫层（渠坡碎石垫层为5～30cm），现浇C20厚20cm高性能混凝土面板。型式Ⅱ为渠坡铺设聚苯乙烯泡沫板、渠底换填碎石垫层防冻胀，渠坡暗管逆止排水防扬压；渠坡衬砌自下而上铺设聚苯乙烯泡沫板保温、PE复合土工膜防渗，现浇8cm厚高性能混凝土；渠底自下而上铺设10cm厚中粗砂、10cm厚矿石垫层，现浇C20厚10cm高性能混凝土板。

1.2 机械化衬砌施工工序

明渠段渠道主体工程共分9个施工标段，其中1～7标段为全断面混凝土衬砌。2011年2月18日开工，3月下旬开始渠道试验段衬砌，5月开始渠道衬砌全面施工。渠道衬砌主要施工工序为：渠床削坡、砂石料铺设及碾压、衬砌机现浇衬砌混凝土、衬砌板养护及割缝。

2 衬砌渠道冻胀裂缝情况及原因

2.1 衬砌渠道冻胀裂缝情况

2012年1月下旬（春节前后），施工2标段、5标段均为衬砌型式I，已浇筑成型的部分渠底混凝土板有冻胀上浮现象，与渠坡混凝土板纵向分缝处出现错台、渠底衬砌板抬高，最高处高出3cm，个别部位渠底衬砌板因冻胀壅高，出现纵向（顺渠道方向）裂缝，缝宽约1mm。渠底衬砌纵向上分为三幅，三幅全部衬砌的，两边幅部分衬砌板中间受冻涨向上隆起、裂缝，均为顺渠道方向裂缝，中幅板基本没裂缝；渠底只浇筑两边幅板中幅未浇筑的，基本无裂缝。个别渠坡衬砌在位于坡脚上1m左右，出现顺渠道方向裂缝，大部分位于渠坡阴面。换填砂砾料垫层较厚的渠坡衬砌未出现冻胀（桩号27+766～30+093段），该段渠坡中粗砂垫层厚度为10cm，碎石垫层厚为30cm。

施工3标段衬砌型式II渠坡衬砌在坡脚以上30～50cm范围内出现纵向裂缝，一般在渠坡阴面，缝宽1.0～1.3mm，渠坡阳面裂缝较少。

施工1标段地下水位较高，渠内水深约为1.5m，渠底无冻胀，其余标段渠内无水。施工4、6、7标段冬季之前未进行渠底衬砌，渠坡基本无冻胀裂缝现象。

2.2 冻胀原因分析

对冻胀破坏的渠底衬砌板拆除、探查发现：渠道衬砌砂砾料垫层厚度满足设计要求；衬砌混凝土板顶面以下冻土深度达40～50cm，砂砾料垫层冻结成块，砂石料垫层底以下冻土厚度达10～20cm；地下水位距衬砌混凝土板顶面约50cm。根据检查情况和当时气象条件，初步分析产生冻胀破坏原因如下：

1）特殊气候条件影响。根据工程沿线气象资料，2012年冬季（2011.12～2012.2月）气温比常年低，低温持续时间长，1月22日～25日连续4d最低温度低于-10℃，最低为-14.4℃，为30年一遇严寒天气，冻土深达到50cm；冬季雨雪较多，雨雪水沿渠坡会流至渠底，通过渠底与渠坡的施工缝及渠底衬砌板切割缝断裂处渗入砂石料垫层（切割缝大部分还没有填胶），同时遇到低温，使垫层冻结，持续寒冷冻层加厚，造成垫层和地基土冻胀。

渠底地基及垫层发生冻胀后，渠底衬砌板受两侧坡脚处渠坡衬砌的约束（渠底、渠坡全部衬砌完成后，相当于全部封闭的倒拱底板，地基冻胀变形产生约束力），产生约束应力，造成分缝处错台、渠底及渠坡衬砌板裂缝等冻胀破坏。渠底衬砌板未浇筑或未全部浇筑的则不产生约束应力，未发生冻胀破坏。

2）地下水位影响。通过现场探查、观测，出现冻胀段地下水位较高，水位在砂石垫层以下约20～40cm，持续寒冷低温，冻结缘逐渐加厚，地下水通过毛细管上升，渗入砂砾料垫层，逐渐使垫层结冻、地基土冻胀，发生冻胀破坏。

3）地质因素影响。部分渠段渠坡中间位置及渠底存在连续或间断的黏土层，黏土层中含水量较大，在持续低温条件下，水分受冻结、渗透作用渗入砂石料垫层中，使砂砾料垫层和地基土冻胀，直接导致衬砌面板冻胀破坏，衬砌板出现冻胀裂缝。

3 预防及处理措施

3．1 地下水位要求

对渠底、渠坡全断面衬砌完成的渠道冬季蓄水保温，防止冻胀，对地下水位较高的渠段蓄水位应高于地下水位。

3．2 渠底渠坡衬砌施工注意事项

若冬季不能蓄水保温，应科学安排渠底、渠坡衬砌施工的时间顺序，或渠底衬砌不全部封闭，避免冬季因冻胀渠底、渠坡相互约束产生应力，造成破坏。渠道衬砌应及时割缝，施工缝和切割缝按要求及时充填聚硫密封胶等止水材料，防止渗水。

3．3 渠坡黏土夹层带处理

为防止渠坡黏土夹层冻胀，宜将渠坡上富含水分的黏土夹层带适当多清除，增加换填垫层厚度，提高排水、防冻胀效果，特别是阴坡。

3．4 渠底衬砌板冻胀抬高、错台处的处理

渠底衬砌板冻胀抬高、错台的，随着温度升高一般逐渐恢复到位，影响不大。对个别地方抬高仍较大的（抬高1cm以上），整块板全部断裂的拆除重新浇筑。

3．5 未贯通的裂缝处理

对未贯通的裂缝，根据裂缝类型试验确定处理方案，待气温适宜时进行裂缝处理，以满足工程安全及使用要求。

4 结语

机械化混凝土衬砌是一种较先进和经济实用渠道工程施工工艺，应用越来越广泛。大型渠道衬砌工程施工周期长，有些工程项目需要跨冬季、雨季施工，由于工程的水文气象、地质条件、运行工况不同，根据衬砌渠道工程项目的特点，需要不断探索越冬保温措施、科学施工工艺和预防冻胀破坏方案，才能确保工程安全。