新疆衬砌渠道冰冻破坏类型及防治应用措施探析

蔡峰，马爱华

（新疆水利水电科学研究院，新疆乌鲁木齐830049）

新疆气候干燥降雨量少，农业以灌溉为主，各类输水渠道超30万km。冬季大部分地区气温较低、负温时间长，渠道冻融破坏十分普遍。据统计，新疆季节性冻土地区有半数以上的混凝土渠道因冻胀受到不同程度的破坏，制约了工程效益发挥。为了防治冻融病害、充分发挥效益、延长工程使用寿命，在输水工程中采取了各种防治冻胀破坏措施。国内相关科技人员对此开展了大量研究，如基土冻胀性分类、基土水热力分析和试验、衬砌受力分析、防渗保温措施研究等，为寒冷地区渠道建设提供了重要的理论技术支持。

1 渠道冰冻破坏的一般形式

不同气温、地质及运行条件下渠道冰冻破坏的机理和形式各有不同。防治治理冰冻破坏，需要深入分析造成冰冻破坏的机理和因素，并有针对性地采取防治措施。混凝土衬砌是当前渠道刚性防渗的主要形式，具有广泛代表性，以混凝土渠道作为分析探讨的主要对象。

1.1 衬砌混凝土结构冻融循环破坏

混凝土在凝结水化过程中内部结构会产生一些空隙，加上砂石的吸水性，当长期被水浸泡以后，在冬季寒冷气温下，空隙中的水因为结冰而发生膨胀，在应力作用下混凝土内部结构会产生细小裂缝，从而增加吸水性并加剧下次结冰膨胀破坏作用。经过多个冻融循环，混凝土板易产生冻融破坏，表面砂浆剥蚀，各强度指标大幅度下降，并且会出现大量裂纹，成为结构安全隐患。混凝土板的冻融破坏与温度水分条件和混凝土自身的抗冻胀性能密切相关，衬砌混凝土的抗冻性能是寒冷地区渠道防渗工程的重要技术指标。

1.2 渠道水结冰对混凝土板破坏

该破坏形式主要发生在冬季运行的混凝土衬砌渠道。在冬季负气温下输水渠道中的浮冰会产生堆积并逐步形成冰盖，对两边的混凝土板产生一定的压力和推挤力。冰盖越集越厚，对边坡特别是转弯处的混凝土产生的巨大压力和推挤力可导致混凝土板的衬砌发生断裂和位移破坏。

1.3 渠道基土对混凝土板的冻胀冻融破坏

在温度降低至冰点以下时，渠基土体孔隙间水分冻结成冰体积膨胀，当受到混凝土板约束时就产生冻胀力。由于渠道走向、断面上的高差以及渠坡渠底的阳光辐射热、散热条件、地下水补给条件不同，渠道各部位的温度、含水量也不同，在负温条件下的冻深和冻胀量也就不同，导致混凝土板各处受到的冻胀力也不同，使混凝土板整体受到不均匀的冻胀力和位移。当混凝土的抗拉强度不足以克服不均匀的冻胀力和位移时，将产生裂缝破坏；当局部混凝土层的自重和锚固力不足以克服冻胀力时，将产生鼓起现象。

冻结过程中土体的含水量和向冻结锋面的水分迁移，对渠基的冻胀量起到关键作用。当渠道的地下水位较高时，一般冻胀量较大；渠顶的基土距离地下水较远，冻胀量较小，这也造成混凝土板的应力与位移不同而发生隆起架空等破坏现象。

当渠道边坡冰冻的土层进入融化期，表层融土中的水分可很快排出，面板与冻土间夹层融土会沿冻融土的交界面顺坡下滑使渠坡发生滑塌。长期的冻融循环对混凝土板的破坏会越来越严重。

基土冻胀产生不均匀应力以及融化时发生不均匀沉降造成的混凝土板隆起、裂缝、变形等破坏现象，是最为普遍也较为严重的破坏形式，季节性冻土地区渠道的冻融破坏以此种形式为主。基土冻融破坏产生的机理和影响因素复杂多样，防治措施应根据工程特点和当地气候、土壤、冻土、地下水等情况综合分析、因地制宜地选择实施。

2 渠道冻融破坏主要防治措施

渠道冻胀必须具备三方面要素，即持续的负温条件、土壤中有自由水和毛细水并且有通畅的水分补给通道、土壤本身的物理性质符合冻胀土特性。根据冻融破坏机理，渠道防治冻胀通常采取以下几方面措施。

2.1 回避冻胀

修建渠道尽量避开出现较大冻胀量的不利自然条件地段，一般渠线选择尽可能避开持水量较大的土层以及地下水位较高的地段；尽量抬高渠基，避免混凝土渠道与冻胀土直接接触。

2.2 防渗截水排水

渠基土中的含水量是渠基冻胀的基本因素。实践表明，衬砌渠道即使地下水埋藏很深，因渠道产生较多漏水使渠基土饱和或达到基土起始冻结含水量，也可引起渠道冻胀。渠道防渗是防治冻胀的重要措施之一，铺设防渗膜、做好混凝土衬砌的接缝止水是防渗重要环节。

在一些有向渠堤渗水的挖方渠道渠段，需采用截渗排水措施将渗向渠堤的地下水截流排出、降低含水量，从而防治渠道冻胀。

通过排水体将基土中渗出的水排出，降低渠基的含水量和自由水位，与防渗、截水、基土换填等措施综合运用，对防治减轻渠基土冻胀可起到较好的效果。

2.3 渠基土换填

渠基土换填是渠道防冻胀技术中常用的措施之一，一般用砂砾石等非冻胀性土来换填原渠基的粉质黏土、壤土等冻胀性土，改善渠基土体的排水性和水分场。采用非冻胀土换填可以使渠基土体实际含水量低于起始冻结含水量，当地下水位较高时，结合排水措施，可有效减轻渠基土体的冻害。

在工程实践中，换填措施要结合实际应用得当，置换料应达到非冻胀土标准，按要求施工，同时要避免置换后材料周围反滤层失效，在长期运行中受周围土中细颗粒“淤塞”而改变了置换土的非冻胀性。

2.4 保温措施

针对冻胀产生的温度因素对渠基土采取保温措施，改变冻胀土层的负温情况，从而防止和改善基土的冻胀强度。在新疆的渠道工程中通常使用苯板保温法，即在混凝土衬砌后设置一定厚度的苯板隔热保温材料，阻隔寒冷气温向渠道基土的传导，防止和削减基土产生负温冰冻冻胀。

2.5 合理优化渠道断面结构

渠基冻胀融沉过程中，刚性衬砌受到冻胀、冻结、自重等综合作用力，内部结构将产生不同性质的应力。通过优化渠道的结构形状尺寸来改变减少混凝土结构内部产生的不利于结构整体性的拉应力，达到防治渠道冻胀破坏的目的。

一般大型干渠采用梯形断面或梯形断面弧形渠底的衬砌结构型式，渠底较宽时可采用弧形坡角梯形断面；中型渠道可采用梯形断面弧形渠底衬砌结构型式；对于小型断面渠道，可采用U形结构型式，也可采用复式矩形断面结构型式。

3 不同冻胀防治措施在工程中的应用

寒冷地区输水渠道变形不仅受地下水位、土壤含水率、水分迁移、冻胀力、土壤温度、环境气象等因素影响，还受渠道的断面规模和通水运行条件的影响。在不同输水工程中，要结合实际综合采取防治措施，以下例举几种新疆工程中应用的防治冻胀措施。

3.1 基土换填防治措施在工程中应用

3.1.1 冻胀性膨胀泥岩渠基抗冻胀措施

某长距离调水工程渠道断面为梯形，采用预制混凝土板+塑膜防渗，部分渠段渠基岩性为泥岩和砂岩。试验结果显示，泥岩具有膨胀性和冻胀性，无湿陷盐胀特性，砂岩为弱冻胀性。经分析认为，泥岩遇水膨胀和冻胀性是造成渠道断面变形、衬砌结构破坏的主要原因。渠道建设采用换填非冻胀土+排水的处理措施，渠基换填40 cm砂砾石和80 cm白砂岩垫层，并设置纵横排水系统。该工程投入运行多年，目前运行情况良好。

该工程主要采用防渗、排水和换填基土等抗冻胀措施，将渠基泥岩换填为砂砾石和白砂岩类非冻胀土和弱冻胀土，塑膜防渗减少了渠水对渠基的渗漏，排水系统将渠基换填层中的水及时排掉，几种措施并用有效防止了渠基的膨胀冻胀对渠道断面的破坏。

3.1.2地下水埋深较深的渠基冻胀防治措施

某调水工程沙漠明渠设计流量55 m3/s，渠道为梯形断面，采用预制混凝土板+塑膜防渗型式。渠基土为粉细砂，颗粒细保水性好，属冻胀土，采用换填砂砾料垫层40 cm；该渠段地下水埋深较深，渠基中水分主要由渠道渗漏产生，可直接下渗，故不设排水系统。该渠道经过多年运行，未发生冻胀破坏，运行情况良好。

该工程实例中渠道采用防渗、换填非冻胀土防冻胀措施，在地下水较大埋深的条件下能够保证渠基含水量低于起始冻胀含水量，因而能有效防治渠基发生冻胀。

3.1.3 高地下水位渠道防冻胀处理措施

北疆某平原明渠全长57 km，设计流量25 m3/s，渠道为梯形断面，采用预制混凝土板+塑膜防渗型式。渠基土为第四系全新统低液限粉土和低液限黏土，属冻胀土。部分渠段地下水埋深1～2 m，渠道防冻胀采用换填非冻胀土+排水的处理措施。换填厚度为30～60 cm砂砾石，并设置纵横排水系统，在渠底中心位置设一纵向排水沟，排水沟上层为厚度30 cm的反滤层，下层30 cm为粗颗粒排水体，排水沟上设砂砾石层。在沿线适当位置设横向排水沟，沟内设排水管。工程于2005年投入运行，未发生冻胀破坏。

3.1.4 湿陷性黄土混凝土防渗渠道防冻处理措施

伊犁某长距离输水渠道设计流量74 m3/s，渠道为梯形断面，采用预制混凝土板+塑膜防渗型式。渠道有36 km渠线经过黄土区，渠基为非自重湿陷性黄土，属冻胀土。由于渠道基础具有湿陷性，为防止沉降对渠道采用预浸水法处理措施。

渠道防冻胀采用换填非冻胀土+排水的处理措施，换填厚度为50～80 cm砂砾石，根据渠段地下水埋深及透水层埋深的不同，设置了不同的纵横向排水措施。在地下水埋深较大的渠段，渠坡及渠底换填的砂砾石垫层可作为排水通道，间隔约500 m设横向排水沟，内埋设1根φ150 mm的盲沟管，与渠基换填砂砾石层相连进行排水。在地下水埋深较浅渠段，在渠底中部并排埋设3根φ200 mm的塑料盲沟管，沿渠每300 m设横向排水，渠底中部盲沟管与横向排水沟内埋设的塑料盲沟管相连进行排水。当渠底以下透水层埋深小于5 m时，在渠底设垂直排水与透水层相通，垂直排水内填砂砾石。工程于2009年投入运行，未发生冻胀破坏，运行良好。

以上4项大型输水渠道工程的渠基土均属于冻胀性土，由于工程地质水文条件各不相同，防治冻胀破坏的措施也有所不同，但防治基本原则都是基于对冻胀土的换填和对基土含水量及水分迁移的控制，即将渠基冻胀土用一定厚度的非冻胀土换填，并通过防渗排水措施切断水分补给，降低渠基冻层范围内的水分，将此深度土体含水量控制在起始冻胀含水量以下，消除渠道冻胀的水分因素，从而达到防治渠道冻胀的效果。

大型输水渠道断面混凝土衬砌面积大，改变提高渠基的抗冻胀性是有效可行的防治冻融破坏措施，很多工程采用这个措施，取得了不错的效果。

3.2 保温隔热防治冻胀措施在工程中应用

当输水渠道的纵坡平缓、区域地下水位较高时，渠基排水比较困难，通过排水控制渠基冻层含水量的防治措施已不具备条件，因此需考虑实际情况通过其他途径来防治渠道的冻胀破坏，如改善冻胀发生的温度因素。以北疆某灌区梯形支渠为例，来探讨保温隔热措施在渠道冻融破坏防治中的应用。

某灌区支渠为梯形渠道，渠深1.5 m，设计流量2.0 m3/s，采用混凝土板衬砌防渗，衬砌下设厚度为40～70 cm砂砾石垫层，渠基设排水体。由于地下水位高、坡度缓排水不畅，渠道在建成运行后发生了较严重的冻胀破坏，影响了正常使用，渠底板冻胀鼓起，渠坡冻胀变形、破坏错位，板坡中下部和渠底中部出现大量变形裂缝，其中以中下游渠道冻胀破坏最为严重。

分析渠道冻胀破坏原因后，认为防治冻胀关键在于确保渠道边坡衬砌下方正负温度区土层不出现变形，即确保处于负温区的土层只冻不胀或使衬砌板下不出现正负2个温度区域，提出渠坡断面换填和边坡保温的防治措施，具体如下：边坡衬砌板下使用砂砾石料换填，渠底土料不替换，替换的土料厚度为现场最大冻土层厚度的2/3以上，如图1所示。经过土料的替换，地下水位以上渠道边坡衬砌板以下负温区域内的土层不会发生冻胀。衬砌板下铺设保温层，确保渠基在冬季时不会出现正负温区变化隔层，从而防止发生冻胀破坏现象，如图2所示，隔热保温层材料及保温层厚度需进行验算。

图1 渠道断面换填示意

图2 铺设保温层渠道断面温区示意

采取上述措施后，渠道冻胀得到了良好治理，再未出现渠道边坡衬砌冻胀破坏现象。

3.3 优化渠道断面形状抗冻胀措施

3.3.1 梯形渠道抗冻胀断面优化

塔里木某灌区梯形渠道发生不同程度的冻胀变形破坏，研究人员对梯形、弧底梯形渠道分别进行了不同地下水埋深情况下的冻胀特征力学受力分析计算，并与观测资料进行对比。弧底梯形渠道的混凝土冻胀断裂力学模型研究计算结果显示：弧底梯形渠道较平底梯形渠道的渠底和坡脚冻胀所产生弯矩小，结构内拉应力减小，抗冻胀结构应力优，是一种冻胀破坏应力和冻胀变形较小的结构型式。同时，结果显示：渠深越浅，坡板倾角越小，冻胀力分布越均匀，变化趋势越平缓，即越不易发生冻胀破坏，这正是宽浅式梯形渠道抗冻性能良好的主要原因。

以上研究结果与塔里木灌区梯形渠道的实际冻融破坏情况相符，由此可知，梯形渠道断面形式尺寸对渠道的抗冻性有很大的影响。在梯形渠道的设计中，根据冻胀力学模型计算来优化断面的形状结构尺寸，对提升渠道抗冻胀破坏性能至关重要。

3.3.2 小型渠道抗冻胀断面优化应用

灌区小型渠道一般为阶段性输水渠道，渠基土冻胀是造成防渗斗渠冰冻破坏的主要因素。小型斗渠数量众多，单位长度投资有限，抗冻措施应经济适用可靠，重点从优化断面形状结构方面提升渠道的抗冻性能。

梯形渠道混凝土板在不均匀冻胀作用下一般在渠坡1/3处或渠底产生纵向裂缝破坏，而U形渠下部的圆弧底拱形效应将大部分冻胀应力转换为弧形衬砌的轴向压力，减小了衬砌断面的弯矩和混凝土内部结构的拉应力，非常适用渠基不均匀冻胀明显的小型渠道。U形渠具有很好的抗冻胀破坏性能，实践中较少发现因冻胀产生裂缝破坏。

伊犁河谷某灌区末级斗渠原梯形渠道因冻胀破坏严重，衬砌完好率不到45%，严重影响了灌区灌溉。2015年对斗渠进行防渗抗冻改造，采用U形断面现浇混凝土衬砌，渠基部分置换砂砾石非冻胀土，混凝土U形衬砌一次性整体浇筑如图3所示。渠道改建工程完工以来，未发生渠道冻胀破坏现象。

图3 某灌区U形混凝土斗渠断面

实践证明，小型渠道U形断面衬砌抗冻胀力学性能好，而对于大、中型梯形渠道可采用弧形底梯形断面也能提高渠道的抗冻力学性能，渠底较宽时可采用弧形坡角梯形断面。

4 结语

渠道的冻融破坏是寒冷地区输水工程常见的问题。多年来关于渠道冻融破坏的研究取得很多重要的成果，各种防治冻融破坏的工程措施在实际工程中得以应用并取得了显著成效，在输水渠道工程的安全运行中发挥了重要作用。

新疆地域辽阔，地区气候、水文、地质等工程环境差异性较大，由于温度、土壤成分、含水率、盐分、水分补给等因素造成渠道工程冻融破坏型式不同，使得渠道冻害的影响因素和破坏机理具有多样复杂性，一些重大工程在冻胀、融沉、盐胀等多种因素作用下的工程变形破坏需要更多的试验研究和观测分析。因此，新疆输水渠道工程的冰冻破坏和治理问题仍需进一步探索和研究。