混凝土渠道襯砌凍害機(jī)理及措施分析

（新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯縣瑪納斯河水利管理處，832200，瑪納斯）

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，我國北方各省區(qū)的混凝土渠道和水工建筑物受凍脹破壞的約占總數(shù)60%以上。新疆亦如此，僅據(jù)昌吉、石河子、奎屯等地的調(diào)查，渠道襯砌受凍脹破壞的約占80%，建筑物凍脹破壞的約占60%，還有一些渠道因凍害嚴(yán)重已被迫重建。各地區(qū)每年花在維修凍害工程上的費用很大，即使這樣仍不能保證安全輸水，給國民經(jīng)濟(jì)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了很大的損失。

一、基土的凍脹機(jī)理簡析

所謂土的凍脹就是土在凍結(jié)過程中體積增大的一種自然現(xiàn)象。

眾所周知，自然界幾乎所有物質(zhì)都具有熱脹冷縮的性質(zhì)，而土為什么會因凍而膨脹呢？人們很自然想到是由于土中水的作用，水在凍結(jié)時體積將增大9%，當(dāng)冰體充滿孔隙后將引起土體膨脹。一般黏性土的孔隙率為33%左右。據(jù)計算，當(dāng)土中水飽和時，凍脹率也只有3%左右，而有的土體凍脹率可達(dá)10%～20%。實際上，凍脹率的大小主要決定于水分遷移量的大小，而土的凍脹機(jī)理主要是水分遷移的機(jī)理。

水分遷移有兩條主要途徑，一方面是氣態(tài)水的遷移，另一方面是液態(tài)水的遷移。氣態(tài)水的遷移簡單來說，就像冬天我們常見到的一種自然現(xiàn)象，房間的窗戶上常結(jié)了一層冰，這就是氣態(tài)水遷移的結(jié)果。一般來講氣態(tài)水的數(shù)量較少，所以這種形式遷移的水分也較少，不是水分轉(zhuǎn)移的主要形式。而液態(tài)水的遷移機(jī)理主要是在凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)之間出現(xiàn)壓力差，在這個壓力差的作用下，下層的水將向凍結(jié)區(qū)轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象不斷加劇，在土中形成垂直于寒流方向的偏凍塊，這種夾層逐漸加厚抬起上層土壤，使地面隆起，凍脹就此產(chǎn)生。

二、基土凍脹的特點

要采取措施來防治凍害，首先要了解渠道襯砌凍害的特點。據(jù)分析，季節(jié)性凍土區(qū)的中小型渠道襯砌工程與工業(yè)、民用建筑、公路、鐵路建筑相比具有下列特點：

一是渠道基土具備產(chǎn)生凍脹的充分條件。灌區(qū)內(nèi)的渠道大多數(shù)處于黏土和壤土帶，地下水水位高，凍結(jié)前渠堤內(nèi)的水分不易排除，這些不利因素為基土凍脹創(chuàng)造了條件。二是混凝土渠道襯砌為薄板結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度小重量輕，對基土的凍脹抵抗力較弱，當(dāng)基土產(chǎn)生微小的不均勻凍脹時，就可使混凝土板開裂。三是水利規(guī)劃中確定的渠道線路，為避免不利條件不能任意選址。通水時間一般由工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求決定，因此一些渠段無法避免這些人為和自然的不利因素。四是渠道工程量大面廣，工程質(zhì)量不易保證，防治凍害的各種措施難以有效實施。所以確定抗凍措施要考慮上述特點，選擇長期而實用的措施。

三、基土凍脹的類型

混凝土渠道凍害一般可分為四種類型：一是凍裂或收縮；二是凍脹；三是凍融；四是剝蝕。

1.溫度裂縫型

為防止襯砌板因溫度變化而引起裂縫，需要布置適當(dāng)間距的縱橫向伸縮縫，在縫間距和縫中填料不當(dāng)?shù)那闆r下，溫度變化時混凝土板內(nèi)將產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于混凝土板的允許應(yīng)力時，混凝土板將開裂。

當(dāng)板下約束較大時，混凝土本身也將開裂，橫向溫度縫一般是冬開夏閉，僅在相鄰板塊基土凍脹性及融沉性明顯不同時，才出現(xiàn)裂縫錯位?？v向溫度縫一般發(fā)展為凍脹縫，對于非凍脹基土，由于裂縫處逐年灌入泥沙，縫中處出現(xiàn)局部凍脹，裂縫逐年增大。對于凍脹基土，由于溫度裂縫的出現(xiàn)，削弱了襯砌材料對基土凍脹的約束力，加速了襯砌的破壞。

2.凍脹破壞型

當(dāng)渠基土發(fā)生凍脹、混凝土板不能適應(yīng)其變化時，將發(fā)生凍脹破壞，凍脹破壞有以下兩種情況：

一是當(dāng)渠道不輸水、地下水水位在渠底以下時，凍脹量一般是渠頂最小，渠底最大。由于渠底和渠坡腳的凍脹量和凍脹方向不同，坡腳處的縱向伸縮縫將被拉裂錯位，如伸縮縫約束較大，將引起渠底和邊坡板的斷裂。渠底板在上抬過程中，由于受到邊坡板的約束，猶如受均布荷載的簡支梁，其中部彎矩最大，若此值大于襯砌板的允許值，底板中部將發(fā)生斷裂鼓脹，渠坡板與基土牢靠地凍結(jié)在一起。由于渠坡下部的凍脹量大于上部，所以上部的凍結(jié)力就對襯砌板的變形產(chǎn)生約束。根據(jù)實地觀察可知：裂縫一般發(fā)生在距渠底1/3～1/2斜長處。如邊坡板為預(yù)制板，則一般是在渠底第一塊板縫處開始膨脹開裂，最下面一塊板繞渠底轉(zhuǎn)動，第二塊被抬起。

二是當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇谆蚯蓝就ㄋ畷r，最大凍脹量一般出現(xiàn)在水位以上，最大彎矩也出現(xiàn)在水面以上，所以冬季引水渠道一般都在水面以上不遠(yuǎn)處出現(xiàn)裂縫。

3.凍融滑塌型

凍脹一般不至使渠道全部受到破壞，但卻為滑塌創(chuàng)造了條件。在春節(jié)凍土融化時，由于土內(nèi)積水較多，所以融化后土壤含水量很大，呈過飽和泥漿狀，這時下面的凍土尚未融化。水分不能向下滲漏，只能由渠坡釋放，產(chǎn)生動水壓力使滑動力增大。土壤經(jīng)過凍融作用孔隙變大結(jié)構(gòu)變松，加上水的作用土的抗剪強(qiáng)度急劇下降，以及襯砌板已凍脹開裂，對基土的滑動幾乎不起抵抗作用。所以一般的渠道春季放水時破壞相當(dāng)嚴(yán)重，這是渠道凍害的主要形式。

4.凍融剝蝕型

當(dāng)水侵入混凝土或漿砌石砌體后在微小孔隙中凍結(jié)時，一方面與混凝土、漿砌石之間產(chǎn)生凍結(jié)力，另一方面孔隙中有冰晶體體積膨脹時，使周圍混凝土或漿砌石砌體產(chǎn)生相對拉力，其作用有如冰劈，特別是冬季引水渠道的水位變動區(qū)，這種情況更為嚴(yán)重，經(jīng)過幾個冬春的凍融作用，混凝土表面將出現(xiàn)剝蝕現(xiàn)象。當(dāng)混凝土標(biāo)號不高孔隙較多時情況更為嚴(yán)重。

四、各種抗凍害措施的機(jī)理分析

根據(jù)上述特點，在選擇抗凍措施時，要因地制宜，選擇長期而實用的措施才有可能達(dá)到目的。

1.抬高渠床，采用填方渠道

根據(jù)實地調(diào)查表明，填方渠道能夠有效地防止凍脹，主要原因是填方渠道可使渠基土遠(yuǎn)離地下水，地面水不易補(bǔ)給渠基，使土壤含水量低于臨界含水量，凍結(jié)時就不會產(chǎn)生聚冰層。填方渠道臨空面多，有利于排走渠道滲水，疏干基土，使渠基土失去凍脹的必要條件。填方高度根據(jù)水分遷移的特性，為了防止水分遷移，渠底距地下水水位的最小距離應(yīng)等于最大凍土深加土壤毛管上升高度。在一般情況下，渠底控制在地面附近較好，渠底設(shè)在原地面，兩側(cè)的土堤為填方土料來自兩側(cè)排水溝，排水溝的深度和間距應(yīng)使地下水水位滿足防止水分遷移的要求。一般可用下式(公式來源：武漢水利學(xué)報1957年1期,張蔚榛《灌溉渠道滲漏及其對地下水動態(tài)的影響》)估算：

式中，L為排水溝間距，k為土壤滲透系數(shù)，H為透水層厚度（平均地下水深），t為冬灌停水時間，h0為排水溝中水位距地面高度，μ為土壤的未飽和孔隙率，h為渠中心線處的地下水水位和排水溝水位之差。

如果要求灌水停止后七天內(nèi)，水位回落到距渠底一定高度，即可根據(jù)上式驗算排水溝的深度和間距。

2.換填法

原來修建的混凝土襯砌渠道，普遍采用砂礫石換墊，從使用效果來看并不理想，只在有些地方有抗凍作用。分析其原因：一是渠道襯砌工程量較大，新疆凍深較大，要用砂礫石換填到一定厚度如2/3凍深，往往很不經(jīng)濟(jì)；二是在黏土地基上換填10～20 cm的砂礫石，當(dāng)?shù)叵滤惠^高時，砂礫石墊層內(nèi)含水量較高，排水困難，其本身近屬于凍脹性土，所以不起抗凍作用。另外由于春季黏土融化時，形成過飽和泥漿逐年充填在孔隙中，或當(dāng)渠水含泥量較大時，砂土也將由滲水帶入填充在孔隙中，一般一兩年以后墊層將完全失效。這就是為什么有些采用砂礫石換填的渠道，剛建成時凍害不嚴(yán)重，而在使用幾年后凍害越來越嚴(yán)重的原因所在。有的渠道在維修凍害地段時，拆開襯砌板后，幾乎就見不到砂礫石了，但也不能完全否定砂礫石作為墊層的積極作用。經(jīng)研究當(dāng)換填的砂礫石達(dá)到一定厚度，并有排水出路時，可阻止和減少毛細(xì)管的作用，減少水分遷移，加強(qiáng)基礎(chǔ)強(qiáng)度使混凝土板受力均勻，因此在地下水水位低、砂礫料來源方便、土坡排水條件較好時可以利用。關(guān)于換填深度問題，有人建議采用我國道路工程中的經(jīng)驗公式：

式中，e為墊層厚度，g為凍深，c為路面厚度。但運用到渠道襯砌工程中不太適合，因為道路一般是在干燥的條件下工作的，而且一般均高出地面一定距離，所以凍脹較輕，而渠道有輸水任務(wù)，基土的含水量較大，如用砂礫石換填防治凍脹，建議采用2/3～1倍的凍深厚度，否則作用不明顯。從這一點可看出，凍深較大的新疆地區(qū)采用換填法來防治凍深是不經(jīng)濟(jì)的。

3.防滲隔水法

由前述可知，在一定的土壤和負(fù)溫條件下，水量是影響凍脹的決定性因素，因此可采取防滲和隔水來防止和減輕凍害，在混凝土渠道襯砌下鋪塑料薄膜，可有效防滲和抗凍，因為鋪膜后滲漏量減少，渠基土的含水量降低，地下水水位明顯下降減少了水分遷移，所以凍脹量小。另外塑膜還具有隔熱保溫的作用，據(jù)觀察可提高地溫6℃左右，因此凍深減小，凍脹量也相應(yīng)減小。如在地下水水位普遍較高的地區(qū)和較重要的渠道，還可在混凝土板下鋪雙層塑料薄膜，采用雙層塑料薄膜的目的在于減小滲漏和切斷地下水補(bǔ)給，起到減小水分遷移作用，使基土在一定范圍內(nèi)保持干燥，又因雙層塑料膜組成封閉系統(tǒng)和外界的空氣隔絕，具有保溫和控制雜草生長的作用。兩層塑膜的間距可取2/3凍深，中間的填土要壓實。

混凝土和塑膜結(jié)合用于渠道防滲，可以各自發(fā)揮其優(yōu)點，揚長避短取得更好的效果，如適應(yīng)大坡度引水，斷面小而整潔，避免塑膜被蘆葦穿透和被人畜破壞，凍脹破壞也因渠基含水量減少、地下水水位降低而減輕，所以混凝土和塑膜結(jié)合是一種值得提倡的型式。

有些地區(qū)采用混凝土板下鋪瀝青、蘆葦和油毛氈等措施，其抗凍機(jī)理和效果與鋪塑料薄膜相同，在有條件時可以采用。

4.排水措施

由工程實踐可知，修建于砂礫石地基上的渠道一般不發(fā)生凍脹破壞。原因是砂礫石地基在凍脹時水可以向下層排走，因此采用砂礫料換填的渠道必須解決排水出路，如不透水層較厚可用設(shè)暗溝的辦法把水排出渠基，當(dāng)不透水層下部有砂礫石透水層時，可通過砂井把換填好的砂礫石與地基透水層連通起到排水作用。如石河子143團(tuán)金溝河引水渠就采用這種方法，已運行近30年，情況良好。

5.結(jié)構(gòu)措施

根據(jù)凍脹的特性，采取結(jié)構(gòu)措施來抵抗和適應(yīng)凍脹變形以防凍脹破壞，也是一種較常用的抗凍措施。如放緩邊坡，采用中部加厚板,如肋深板、“Π”形板、梯拱形渠道，以及地下灌溉和架空渡槽等。

由前面分析可知，混凝土渠道在春季融化時，常發(fā)生滑塌破壞，放緩邊坡增加混凝土板的穩(wěn)定性，可避免邊坡滑塌破壞。

根據(jù)混凝土渠道邊坡因凍脹常在1/3～1/2斜長處出現(xiàn)裂縫這一事實，在這范圍內(nèi)把襯砌板加厚成為中部加厚板，對于抗凍脹裂縫較為有效。肋深板和“Π”形板的剛度很大，減小了與基土的接觸面積，對基土的壓力就加大了，亦可減輕凍脹，由于縫大部分懸空，所以法向應(yīng)力也較小，另外空氣還具有保溫作用，可提高地溫減輕凍脹，但施工復(fù)雜，接縫處要求嚴(yán)格不漏水。

梯拱形渠道在發(fā)生凍脹時，渠底的內(nèi)力為軸向力，圓弧形渠底的剛度較大，一般不會開裂，對凍脹有較強(qiáng)的抵抗力。對于新疆大坡度引取含沙量較高的水時，結(jié)合抗磨和抗沖建議，采用干砌卵石弧形渠底。混凝土板邊坡的渠道，如瑪納斯瑪河灌區(qū)新湖、北五岔引水總干渠就是采用這種斷面形式，在沒有卵石的地方，為了抗凍渠床也可考慮用預(yù)制的圓弧形板。

6.生物措施

目前采用的生物措施主要是渠旁植柳，實踐證明這是一種經(jīng)濟(jì)可靠、安全適用、簡單易行的抗凍措施，渠旁植柳的抗凍作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

一是由于柳樹的須根發(fā)達(dá)，為吸收充分的水分，須根沿混凝土板后盤旋生長，是混凝土板下土層受根須擠壓固結(jié)，從而在混凝土板與土層間形成5～10 cm的纖維狀海綿體，起到了換置基土的效果，具有保溫和緩沖的作用。二是渠旁種柳樹，根須固結(jié)土坡，渠坡不會在春季融化時向下滑塌，即使冬季有少量凍脹變形也易于恢復(fù)，不會進(jìn)一步發(fā)展。三是渠旁植柳，可形成小氣候，降低風(fēng)速。四是須根的導(dǎo)熱系數(shù)很低，因此可提高地溫，減輕凍脹。五是渠旁植柳可起到生物排水的作用，有利于降低基土含水量，柳樹的根須破壞了基土的毛細(xì)管通道，使水分遷移困難，凍結(jié)面得不到水分的補(bǔ)充，冰晶體就不能增大，凍脹就輕。

7.采用優(yōu)質(zhì)填縫材料減少滲漏

混凝土板本身是不漏水的，襯砌渠道的滲水，一般是由于接縫不良引起的，因此要減少渠道滲漏就應(yīng)從更新灌縫材料入手。以往混凝土渠道塊間一般用水泥砂漿填縫，伸縮縫一般用二氈三油和瀝青砂板，這幾種材料的共同不足是冬季柔性較差或根本沒有柔性，和混凝土板的黏結(jié)力較差，當(dāng)混凝土板收縮時常被拉開造成漏水，夏季瀝青制品受熱易流淌，因此使用效果不佳。目前研制成的聚氯乙烯膠泥是一種較理想的灌縫材料，其特點是與混凝土板有很強(qiáng)的黏結(jié)力，受熱不流淌，在低溫下仍具有較好的彈性。有人做過如下實驗，用厚度10 cm的混凝土板砌成1 cm寬的縫，然后用該膠泥灌縫，待凝固后，用力拉混凝土，使縫由1 cm變?yōu)? cm，膠泥未斷裂也沒有與混凝土板分離，外力清除后在彈力的作用下可恢復(fù)原有寬度，因此它的止水效果相當(dāng)好，幾乎不漏水，但成本較高?，F(xiàn)在在此基礎(chǔ)上研制出的以廢塑料為主要原料的塑料膠泥，其性能和上述膠泥相似，但成本大為降低，可推廣采用。

8.其他措施

一是提高混凝土強(qiáng)度，注意施工質(zhì)量。根據(jù)實踐檢驗，提高施工質(zhì)量和混凝土的強(qiáng)度對防治凍害是非常重要的。提高混凝土的質(zhì)量和密實性一般要求用于渠道襯砌的混凝土不應(yīng)低于200號，通常200號～250號，抗?jié)B標(biāo)號不小于B4，抗凍標(biāo)號可采用F200以上，為提高混凝土的抗凍性應(yīng)適當(dāng)降低水灰比，一般采用0.55～0.65。另外適當(dāng)摻些外加劑，如加氣劑、塑化劑等，也可增加混凝土的抗凍性和耐久性。提高施工質(zhì)量，要求混凝土的配合比準(zhǔn)確、拌和均勻、振搗密實、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，注意施工縫的結(jié)合。

二是化學(xué)處理。國外在工業(yè)與民用建筑和鐵路工程中，采用了基土內(nèi)加氯化鈉和氯化鈣等化學(xué)劑的辦法來降低土壤水的冰點，以減輕凍脹。但這種方法一般不能持久，鹽分將很快被滲水淋濕，特別是水工建筑物更是如此，所以目前不能大量采用。

本文根據(jù)工作中的具體實踐，對混凝土渠道凍害的機(jī)理和防治措施進(jìn)行了簡單的分析。由于凍脹理論本身不成熟，又缺少足夠的觀察和必要的實驗，所以文中有些論點缺乏理論依據(jù)，有待今后進(jìn)一步研究。

[1]河北省水利科學(xué)研究所.混凝土襯砌渠道防滲防凍害實驗報告[R].1980.

[2]李書民.河北省渠道襯砌凍害調(diào)查及分析[J].防滲技術(shù),2000(4).

[3]渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范(SL 23—2006)[S].2006.