高寒区供水渠道冻害机理分析及防治措施研究

杨继华，路新景，赵顺利

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

随着我国经济建设的快速发展，水资源不平衡的矛盾日益突出，为解决部分地区工业、农业及生活方面的缺水问题，国家及地方兴建了大批了引调水工程，如南水北调中线工程、甘肃的引洮工程、新疆的引额济克等。引调水工程的输水建筑物一般有隧洞、管道、渠道等，其中渠道以输水效率高、施工成本低、便于维护等的优点得到了广泛的应用。

我国的西北、东北、华北等高寒地区，冬季气温低，具有发生冻害现象的气象条件，渠道工程的冻害现象普遍发生。河北省2000年对邯郸市民有灌区、邢台市临城灌区、石津灌区、唐河灌区、沙河灌区等多个灌区的渠道进行调查，发现未采取防渗措施的渠道多发生了现浇混凝土衬砌裂缝、坡面采用预制混凝土衬砌的出现下滑、错位、鼓胀及板块断裂等病害[1]。张晓辉等[2]对青海省近500 km的渠道进行统计表明，渠道衬砌中的50%～60%受到了冻害破坏，需要投入大量的费用进行维修。郑鑫等[3]对黑龙江查哈阳的大型灌区的90余座不同规模的渠道进行统计，发现渠道不同程度的冻胀破坏，破坏率达到了83%，严重影响了工程效益的发挥。新疆境内南疆岳普县的叶尔羌河灌区跃进渠，衬砌型式为现浇混凝土板，渠道底部冻胀量最大达到7.8 cm，衬砌难以适应变形，导致应力集中，引起了衬砌断裂或衬砌板隆起[4]。

渠道的冻害影响了输水效率、增加了维护成本，缩短了工程寿命，往往造成较大的经济损失。因此研究高寒地区输水渠道的冻害机理，并采取防冻害措施，对高寒区具有重要的社会效益和经济效益。本文主要回顾了高寒区的渠道冻害的研究现状，并对未来的研究方向提出建议。

1 高寒区渠道冻害机理

1.1 渠道冻害现象

当渠道防渗效果不好时，渠中水会渗入渠基土体中，造成渠基土含水量增高或处于饱和状态。众所周知，水的密度为1.00 g/cm3，而冰的密度为0.92 g/cm3，如果气温降低至使渠基土水混合物冻结时，就会发生体积膨胀，这种现象称为土的冻胀。如果渠基土表面没有约束，则冻胀后地面后会升高，通常把土体冻胀前和冻胀后地面的高差值称为冻胀量。渠道衬砌大多采用现浇混凝土衬砌或预制混凝土衬砌，一般认为混凝土结构为刚性结构，会对土体的冻胀产生一定的约束，从而导致冻胀的土体发生膨胀力，而混凝土结构抗拉强度低，当局部的膨胀发生应力集中时，则易造成渠道的混凝土衬砌结构破坏[5]，典型的冻胀破坏形式如图1所示。

渠道混凝土衬砌的冻胀破坏主要有以下几种形式：

(1)混凝土衬砌鼓胀与裂。 冬季渠道停止输水时，渠道底部混凝土衬砌受渠基土冻胀作用发生鼓胀。冬季不停水运行时，在渠道的顺水流方向现浇混凝土衬砌的坡脚以上1/4至3/4的位置出现冻胀裂缝。

(2)渠道滑坡。 渠道坡基的土体受所得冻胀的作用，土体抗剪强度降低，同时坡脚土体及衬砌的支撑作用受到破坏，渠坡土和衬砌失去平衡，严重时渠坡土体和衬砌发生滑坡，滑坡对渠道的安全运行影响较大，有时会堵塞整个渠道，不得不停止运行进行维修。

(3)衬砌架空。 当地下水位较高，受冻胀作用衬砌产生裂缝，如果渠道防渗措施不佳，渠中水及地下水会沿裂缝发生水流交换，导致渠基土的细颗粒物质被带出，造成衬砌后的空洞，这会进一步加剧渠中水的渗漏。

(4)衬砌的整体抬升。 如果衬砌的整体性较好(如U型渠道)，受冻胀力的作用，会造成衬砌的整体抬升，改变了渠道的纵坡，造成渠道的输水效率受的影响。

图1 典型寒区渠道冻胀灾害

1.2 渠道冻害理论分析

理论分析一般根据渠道结构及冻胀特征，建立渠道结构与渠基土相互作用力学模型，对冻胀过程中的混凝土衬砌结构进行受力分析、变形分析等，为渠道的设计等提供依据。关于渠道的冻害的理论分析方面，较多的学者开展了相关问题的研究，并得到了有价值的结论。

王正中[6]提出了渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型，采用了两端简支梁模型作为渠坡混凝土衬砌板的计算简图，此简支梁受到法向冻胀力、法向冻结力、切向冻结力及混凝土衬砌板约束力的共同作用，将混凝土衬砌板视为受压变形及受弯变形的组合变形构件，以此给出了渠坡及渠底混凝土衬砌板的内力和最大拉应力计算公式。

张茹[7]以大U形混凝土衬砌渠道为研究对象，在分析衬砌冻胀机理及破坏特点的基础上，进行了一定的假设，仅选取了最大冻结力这个变量参数，建立了大U形断面非对称渠道冻胀破坏力学模型，从而求解出混凝土衬砌板的冻胀力，并根据混凝土衬砌板的抗裂条件，提出了衬砌的内力、抗裂板厚度、胀裂部位等计算方法和公式。

张如意等[8]提出了渠道冻胀破坏的链式效应的理论，以系统理论为基础，研究了渠道冻胀破坏系统的链式关系结构，并建立了渠道冻胀破坏链式效应模型。通过分析单个渠道冻融周期的土体的颗粒、成分、环境温度、地温变化规律及渠基土水分迁移规律等因素对渠道冻胀破坏的影响规律，提出了高寒区渠道冻胀破坏的断链减灾方法。

肖旻等[9]认为断面大、渠坡长度大的大型渠道的渠基土在冻胀时沿渠道坡长方向切向冻胀及混凝土衬砌板的冻缩变形不能忽略，渠道衬砌板的破坏是两者共同作用的结果，并结合冻土的Winkler弹性地基假设，考虑渠基土地冻胀变形的双向冻胀差异，最终提出了一种开放系统梯形渠道衬砌板法向和切向冻胀力的计算方法和衬砌内力计算公式。

李爽等[10]针对渠道冻胀破坏采用线弹性分析时，将渠基的冻土和衬砌视为一个整体，难以考虑两者之间相对滑移的问题，采用了符合渠基冻土与衬砌结构接触面冻结特征的非线性本构模型，以此来反映冻土和衬砌的相对滑移和脱离，通过对冻胀过程中的温度场、应力场及变形场进行分析，非线性模型更符合实际。

1.3 渠道冻害现场试验及模型试验

渠道冻害的现场试验及模型试验一般以具体工程为背景，通过室内的模型试验和现场的监测数据，更能反映真实的渠道冻胀破坏特征，可进一步验证理论模型的正确性，并可以为采取防冻胀措施提供依据。

余书超等[11]针对渠道刚性衬砌受冻胀时的受力情况，采用渠长250 mm、渠基土厚度60 mm的微型刚性渠段模型，进行室内的模型试验，发现了渠基土受冻胀时含水量沿渠道横断面高度分布的规律，以及渠道受冻胀时渠坡刚性衬砌板的受力情况。

陈涛等[12]对陕西省宝鸡峡塬下的北干渠长60.6 m的大U形渠道进行了现场冻胀观测试验，通过分析衬砌气温、地温、渠基土的含水率、冻深及混凝土衬砌冻胀变形等现场观测数据，研究了渠道混凝土衬砌的破坏时段、破坏位置的形成原因及分布规律，并提出了渠道防冻胀的建议措施。

姜海波等[13]以新疆阜康季节性冻土区某大型灌区刚柔混合衬砌渠道为背景进行了现场试验，渠道断面为梯形，试验段长度50 m，渠底宽4.0 m、渠深3.0 m，布置了地温、冻深、冻胀应力、冻胀变形多个测点。通过现场观测成果，得出了刚柔混合衬砌渠道的最低地温、冻深、冻胀量与冻胀力等的变化规律，并研究了冻融条件下渠基土的的水分迁移规律及土工膜的变形和强度变化特征。

李存云等[14]对宁夏回族自治区各灌区广泛分布的小型U形混凝土衬砌渠道的冻融变形及破坏特征进行了现场原位观测试验，发现小型U形混凝土衬砌结构渠道的整体抗冻胀性较高，断面尺寸越小、结构分缝越少，渠道冻胀变形越小，冻胀位移分布均匀连续。

张永玲[15]对甘肃张掖大满灌区混凝土衬砌渠道的阴坡的地温、土体含水率及冻胀量进行了定期监测。监测结果发现，冻融过程中地温和气温的变化规律基本一致，随着土体深度的增加地温变幅减小，渠道冻胀量随着气温的降低而增大，当气温回升时，衬砌板的会出现不同程度的回落。

2 高寒区渠道冻害影响因素

2.1 渠基土冻胀分级

对渠基土进行冻胀分级，可以对渠基土的冻胀性进行合理的评价，从而有针对地进行渠道抗冻胀设计和采取防冻胀措施。国内外的研究与实践表明，土体的冻胀性可用冻胀量hf表示，《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL 23—2006)建议渠基土的冻胀量由式(1)计算[16]：

hf=hZf/Zd

(1)

式中：h为渠道工程所在地点天然冻土层的冻胀量,cm；hf为渠道基础结构下冻土层产生的冻胀量,cm；Zf为渠道基础下设计冻深,m；Zd为渠道工程地点的天然设计冻深,m。

基础下设计冻深Zf指由计算点自底板底面算起的冻深，可按式(2)、式(3)及式(4)计算：

(2)

(3)

(4)

式中：Ri为渠道底板热阻,m2·℃/W；R0为渠道设计热阻,m2·℃/W；I0为渠道工程地质点的冻结指数,℃·d；δw为冻前底板上面水深,m；δc为渠道基础板厚度,m；λc为渠道底板的热导率,W/(m·℃)。

当δc≤0.5 m时，可按式(5)进行计算：

Zf=Zd-0.35δc-1.6δw(Zf≥0)

(5)

计算出冻胀量hf后，《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL 23—2006)根据冻胀量hf进行了土体冻胀性分级，分级结果如表1所示。

表1 地基土冻胀性分级

2.2 渠基土的土质条件对冻胀的影响

渠基土的冻胀量与土的特征直接相关，一般情况下，土体的颗粒越大，则其冻胀性就越小，甚至可能不发生冻胀，当土体主要由细颗粒组成时，则冻胀较大。黏土类土发生冻结时，土中的水结冰发生体积膨胀，同时在渗透力的作用下，土中的水分会从未冻结的土中向冻结冰峰面转移，最终在锋面聚集产生结晶膨胀，这个过程是土体产生强烈冻胀的主要原因。如果冻结速度较慢，冻结峰面会在某一位置停留较长时间，水中的水有足够的时间向峰面转移、聚集和冻结，最终形成较厚的冰体，这时土体会发生严重的冻胀。如果冻结速度较快，土中的水分没有足够的时间向冻结峰面转移，在原位置发生冻结，这时会形成整体结构的冻土，冻胀作用就会较轻微。《工程地质手册》(第五版)[17]对不同类型颗粒成分及含水量等特征的土体的冻胀性进行了分类，见表2所示。

表2 季节冻土与季节融化层土的冻胀性分类

注：1.wp为塑限含水量(%)，w为冻前天然含水量在冻层内的平均值；2.盐渍化冻土不在表列；3.塑性指数大于22时，冻胀性降低一级；4.小于0.005 mm粒径含量>60%时，为不冻胀土；5.碎石类土当充填物大于全部质量的40%时，其冻胀性按填充物土的类别判定；6.隔水层指季节冻结层底部及以上的隔水层。

2.3 渠基土的水分条件对冻胀的影响

渠基土中的水分条件是渠道发生冻害的决定性影响因素。渠基土中的含水量如果超过土体起始冻胀所需要的含水量，当环境温度为零度以下时，土体会发生结冰进而产生冻胀。有时虽然渠基土含水量较低，达不到起始冻胀含水量，但渠水或地表水渗入土体，也会发生冻胀，但这种情况的冻胀量会较小。最严重的情况是地下水位较高且有连续不断的补给来源，地下水会一直向冻结峰面转移发生冻结，此时产生的冻胀量较大，会对渠道造成严重的冻害。

2.4 渠基土的温度条件对冻胀的影响

渠基土的温度条件是发生的冻胀的外在条件，土体发生冻胀的必要条件是温度为负温且达到土体的起始冻结温度，随着温度的进一步降低土体即发生冻胀，当温度降低到停止冻胀温度时土体会停止冻胀。起始冻结温度、起始冻胀温度及停止冻胀温等温度温度特征征与土体颗粒组成、含水量等因素有直接的关系。黏性土的起始冻胀温度比起始冻结温度低约0.5～0.8 ℃，砂性土低约0.2～0.3 ℃，砂砾石类土的起始冻胀温度比起始冻结温度基本相近。如果系统为封闭的，不同类型土的停止冻胀温度如下：黏土-8～-10 ℃，亚黏土-5～-7 ℃，亚砂土-3～-5 ℃，砂土约在-2 ℃。

渠道的走向对温度有一定的影响，当渠道为东西走向时，阳面受的光照时间长、光照强度大，地温较阴面为高，因此阳面的冻害一般较阴面轻。

渠道的不同部位的温度也有所差别，渠道顶部的温度一般低于中、下部，但渠顶土的含水量往往较低，因此冻胀量小，而渠道中下部由于含水量高，故冻胀量大，冻害较渠顶严重。

3 高寒区渠道抗冻害措施

渠道的冻胀主要受渠基土的土质条件、渠基土的水分条件及温度条件这三个主要因素的影响，因此采取防冻害措施时也是从这三个方面着手。

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3.1 改善渠基土的土质条件

当渠基土具有较强的冻胀条件时，如果当地或附近有丰富和适宜的非冻胀土时，可采用非冻胀性土置换渠基冻胀土，以消除或减弱渠基土的冻胀性。置换深度可按式(6)计算：

Zn=εZd-σ

(6)

式中:Zn为置换深度,m；ε为渠基置换比，可按表3取值；Zd为设计冻深,m；σ为防渗层厚度,m。

表3 渠基置换比

3.2 改善渠基土的地下水条件

地下水因素是渠基土冻胀的决定性因素，在渠道实施前的勘察设计工作中，渠道选线时应尽可能避开地下水位较高的及土体冻胀性较强的地段。如果难以避开高地下水位地段，则尽可能选择填方渠基。填方渠基底部距离地下水位的距离应符合式(7)的标准[18]：

Z>H+Dc

(7)

式中：Z为渠道底部至地下水位的距离，cm；H为渠道底部的冻深值，cm；Dc为地下水对冻胀无明显影响的临界深度，cm。

同时，渠道选线时还应尽量远离地表水丰富的地段，如灌溉地块、林带或其它渠道，以减少对渠基土的水分补给。当地下水位较高或渠基土含水量较大时，应设置排水系统，可按下列方法设置排水系统：

(1)当冻结层或置换层以下不透水层或弱透水层厚度小于10 m时，在渠道底部每隔10～20 m设一眼盲井；

(2)当渠基的冻结深度内有排水出路时，在设计冻深底部设置纵、横向暗排系统；

(3)冬季输水的防渗渠道，当渠道两侧有渗水补给渠基时，在最低水位以上设置反滤排水体，必要时设置逆止阀。排水口及逆止阀设在最代行水位处[19]。

3.3 改善渠基土的温度条件

目前国内外通常采用隔热层，降低土体内部与外界热量的交换传递，使渠基土达不到起始冻结温度，从而减轻冻胀现象的发生[8]。国外的隔热保温材料主要有聚苯乙烯泡沫塑料板[20]。对于重要的渠道工程保温材料的厚度可按式(8)计算：

(8)

式中：δx为保温材料厚度,m；R0为工程保温基础设计热阻值,m2·℃/W；αw为保温材料的导热系数修正系数；δc为基础材料厚度,m；λx为保温材料在自然状态下的热导率,W/(m·℃)；λc为基础材料的热导率,W/(m·℃)，可根据工程实际情况确定。

4 结论与展望

(1)高寒区的渠道的冻胀问题广泛存在，冻胀会造成渠道混凝土衬砌鼓胀与裂缝、渠道滑坡、衬砌架空、衬砌的整体抬升等冻害，影响了渠道的安全运行，降低了渠道的输水效率，增加了渠道的维护成本。

(2)关于渠道冻胀问题目前的研究方法主要有理论分析、现场调查及模型试验等几种方法，这些方法各有优缺点。渠基土与混凝土衬砌结构的冻胀实际上一个应力场-渗流场-温度场多场耦合的过程，冻胀机理十分复杂，而目前的研究多考虑其中的某一个因素，难以体现多因素耦合作用。在将来的研究中，可考虑采用数值模拟、大型模型试验等方法进行多因素耦合分析，深层次地研究冻胀机理及时各种防冻胀措施的有效性，同时结合工程实际，为高寒区的渠道防冻胀措施的采取提供依据。

(3)易冻胀的土质、土中的水分及温度及渠基土发生冻胀的基本条件，消除或削弱其中的一个条件即可避免冻胀的发生或减轻冻害程度。但目前在部分渠道的防冻胀设计中同时考虑了三种条件，造成渠道成本增加。在将来的研究中，可根据渠道所处地段的条件，选择一种主要因素进行防冻胀设计，从而实现渠道建设的经济性。同时应研究新型的防冻胀技术、材料及设备并进行工程应用，进一步降低渠道冻害。