北方灌渠防冻机理及其技术分析范文

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寒冷地区是我国重要的粮食产区，仅黑龙江省列入续建改造的大型灌区就有20处，设计总面积55.674万hm2，总投资56.41亿。然而寒冷地区许多灌区在续建改造过程中，面临着渠道衬砌冻胀破坏严重和渗漏损失严重等问题，经济实用的渠道防冻胀工程技术，是确保我国大中型灌区续建改造工程的顺利完成和确保国家新增千亿斤粮食生产能力的重要保障。

1寒冷地区渠道衬砌冻胀机理

寒冷地区渠道衬砌发生冻胀破坏的主要原因是基土冻胀，温度、基土含水量和基土土质是引起基土冻胀的三大要素。一般而言，基土中小于0.05mm的土粒大于总土重6%的土称为冻胀性土。当地气温降到结冰点以下时，渠道衬砌和基土层接触面间孔隙中的水分冻结产生冰晶体，冰晶体逐渐发展形成初始冻结面；气温继续降低，在基土层孔隙中的水分也冻结形成冰晶体，在毛细力作用下，更深部位土体中的水分向上部迁移，上部土体中冰晶体逐渐增大，从而形成冻土层。随着冬季气温的持续降低，基土层下部未冻结区的水分在毛细力作用下持续向上部冻结区迁移，水分的上移不仅使冻结深度加大，而且使得冻结区内含水量激增，导致基土冻结膨胀加剧。当基土冻胀力超过其上部覆盖的渠道衬砌的结构强度时，渠道衬砌被顶裂或顶起，发生冻胀破坏。

2渠道衬砌防冻胀工程技术

国外发达国家，近年来多采用“抵抗”冻胀的技术措施，用钢筋混凝土取代素混凝土，并结合砂砾料换填层、加固基础、增设排水等措施，如日本现在多采用钢筋混凝土矩形渠槽加换填材料方式，美国、俄罗斯，则多采用混凝土或钢筋混凝土大型平板形式。这些措施抗冻胀效果好，但工程造价高，不适合我国国情。

针对寒冷地区渠道冻胀破坏，我国经过30多年的研究及实践，制定了SL23—2006《渠系工程抗冻胀设计规范》，提出“允许一定冻胀位移”的工程设计标准和“回避、适应、削减或消除冻胀”的防冻胀原则，并根据寒冷地区渠道衬砌冻胀机理，从改进渠道断面形式、基土层保温、防水和换填等方面，提出了一系列经济实用的工程技术措施，开展了大量研究和实践工作，取得了丰硕的成果。

2.1渠道衬砌防冻胀自适应断面

渠道衬砌抗冻胀能力与断面形式有很大关系。我国现有渠道大都为梯形或矩形断面，常在坡底位置处设置伸缩缝。根据观测资料，基土冻胀向上变形时，渠底衬砌受到两端坡底砌块约束，实为支承于两端坡底的简支板向上发生弯曲变形，衬砌内部出现的是拉应力，由于混凝土的抗拉强度很低，在较小的拉应力作用下就会出现开裂，因此冻胀时渠底衬砌往往在中部出现纵向弯折裂缝。

同样，渠道边坡也经常出现纵向裂缝，由于受地下水位的影响，渠道边坡裂缝部位多在中下部，距边坡底部1/4~1/3坡长处。将梯形或矩形断面形式，根据实际输水规模相应的改进为弧形断面（图1）、弧形坡脚（图2）或U型渠道（图3）等冻涨自适应断面。改进断面一方面利用弧形坡脚或弧形渠底，改善现有渠道坡脚应力集中的受力特点。同时这样的渠道在受来自基土的冻胀力时，由简支结构变为反拱结构，衬砌内部应力由拉应力变为压应力。由于混凝土的抗压强度远高于抗拉强度，因此，改进后的断面形式可以有效地适应基土冻胀，不易产生大的贯穿裂缝。相关研究表明[1]，采用弧形断面或弧形坡脚时，沿渠轴线方向和沿渠坡方向每隔3～4m，需设冻胀变形缝。U型渠衬砌圆弧直径应小于2.0m，圆弧上部直线段应采用小于l∶0.2的斜坡。

2.2基土层保温

基土冻胀的一个主要原因是低温。在渠道衬砌和基土层之间铺设炉渣、泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板、膨胀珍珠岩保温层制品等保温隔热材料，利用其导热系数低的性能，缓解渠基土周围热量的输入输出及转化过程，从而减缓基土层内部水热耦合作用，进而人为的降低冻土层的深度和冻胀程度，有效的消减基土冻胀，起到相对提高渠道衬砌防冻胀性能的作用。相关研究表明[2]，10cm厚的聚苯乙烯泡沫板，可起到100cm厚砂层的保温效果。

2.3基土层防水

当基土层中的含水量大于基土起始冻胀含水量时，将出现较明显的冻胀现象。防止渠道渗水和地下水对冻土层的水分补给，并及时排除渗水和地下水，降低基土层含水量，是有效削减冻胀的根本措施之一。对于衬砌渠道，纵向施工缝和横向温度缝是渠道渗水的主要部位。为减小渗水，在满足温度及施工要求的条件下，不论预制装配还是现场浇筑均应尽量减少缝的数量。相关研究表明[3]，为增加防渗效果，可在施工预留缝下铺设不小于1m宽度的防渗塑膜。砌块间接缝处理要保证质量，缝内砂浆饱满，表面抹压平实。采用复合防渗衬砌结构时，砌块下的塑膜应沿渠道全断面铺设，并用折迭方法拼接加长。

2.4基土层换填

基土层换填是防治冻害的重要措施之一。一般地基土属于Ⅲ级及以下冻胀性土时，可根据当地实际料场情况，采用风积砂、砂砾石等弱冻胀性土，置换渠基冻结深度内部成分或全部原有土层。由于风积砂等弱冻胀性土在冻结过程中，土壤水分向与冻结面相反方向转移，水分的减少将有效的削减冻土层深度和冻胀程度。为了保证渗透稳定，换填材料与下垫面原状土之间，需设置反滤层或用非织造土工织物隔离，同时换填层需设置排水设施。换填深度可根据地下水位的高低、基土的性质、冻深的分布状况和衬砌结构的允许变位值、按SL18—2004《渠道防渗工程技术规范》确定。相关研究表明[4]，风积砂换填层的防冻胀效果随换填厚度的增加而增加，换填率70%左右较优，实测换填层内冻胀率在3%以下，防冻胀效果在90%以上。

3结语

寒冷地区渠道衬砌的冻胀破坏，是渠道自身和外界环境共同作用的结果，与衬砌体结构、材料、渠基土质、含水量、温度及渠道走向等因素密切相关。从渠道断面形式、基土层保温、防水和换填4个方面，提出了一系列经济实用的工程技术措施，结果表明：

1）弧形衬砌渠道受基土冻胀力时，衬砌内部将产生压应力，而非拉应力，由于混凝土的抗压强度远高于抗拉强度，因此弧形衬砌可以有效地自适应基土冻胀。

2）在渠道衬砌和基土层之间铺设保温隔热材料，可以适当的阻止基土温度的降低，起到消减基土冻胀的作用。

3）在衬砌预留温度缝下或全断面铺设防渗塑膜，可以有效防止渠道渗水对冻土层的水分补给，进而有效地消减冻胀。

）基土层换填风积砂等弱冻胀性土后，冻结过程中土壤水分向与冻结面相反方向转移，水分的减少将有效的削减冻土层深度和冻胀程度。