大砂溝渠道及其建筑物的凍脹破壞與防治

陳東生

（蘭州市大砂溝電力提灌工程管理處，甘肅蘭州 730046）

1 工程概況

大砂溝工程地處甘肅省中部，蘭州市西北部。1996年蘭州市政府實(shí)施南北兩山綠化工程，大砂溝綠化上水工程開始興建，2002年基本竣工。工程共建成干渠3條，長48.06 km；支渠17條，長121.43 km；干支渠泵站20座，綠化泵站5座，總裝機(jī)89臺（套），容量2.33萬kW；綠化工程管道長110 km，山頂蓄水池38座。工程設(shè)計(jì)流量1.75 m3/s，加大流量1.90 m3/s[1]。

工程區(qū)冬季嚴(yán)寒，春季溫暖，夏季炎熱，秋季涼爽，屬季節(jié)性凍土地區(qū)。根據(jù)皋蘭縣氣象站統(tǒng)計(jì)資料顯示,年平均氣溫7℃，極限最高氣溫37℃，最低氣溫-23℃。最早結(jié)冰時(shí)間一般為每年的10月25日至11月5日，最早封凍在12月1日左右；最大凍土深度為101.2 cm；最早融冰始于2月中旬（農(nóng)歷“立春”后）。年平均降雨量278.1 mm，蒸發(fā)量1 622.6 mm，蒸發(fā)量是降雨量的近6倍，且降雨多集中在6—9月，占全年降雨量的80%。

在冬季、春季，隨著地基土的凍結(jié)、融化，導(dǎo)致渠道及其建筑物發(fā)生凍脹破壞現(xiàn)象。渠道及其建筑物隨著其地基土凍結(jié)、融化出現(xiàn)開裂、傾斜、局部隆起或沉陷、甚至倒塌的凍脹破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響渠道及其建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全，造成渠道及其建筑物喪失部分或全部功能。因此，防止渠道及其建筑物的凍脹破壞成為工程設(shè)計(jì)和工程運(yùn)行維護(hù)中的重要課題[2-6]。

2 渠道及其建筑物的凍融破壞特點(diǎn)

2.1 地基土的鼓脹

工程區(qū)進(jìn)入封凍期后，地基土中相對較深部位水分在毛細(xì)力作用下向淺表層的低溫土體運(yùn)移，以冰粒填充土中孔隙，孔隙中冰粒體積的不斷增大，導(dǎo)致地基土的鼓脹，最終在冰脹力的作用下頂起或破壞渠道襯砌和建筑物。

2.2 空隙間的冰脹

工程區(qū)進(jìn)入封凍期后，會在地基土與建筑物接觸面間、地基土與建筑物工作縫間空隙中形成冰粒，空隙中冰粒體積的不斷增大，導(dǎo)致工作縫縫隙的增大。最終在冰脹力的作用下脹裂或破壞渠道襯砌和建筑物。

2.3 凍脹破壞

在冬季，隨著氣溫的繼續(xù)下降，地基土、地基土與建筑物接觸面間、地基土與建筑物工作縫間空隙中形成的冰體，因周圍未凍結(jié)區(qū)土中的水分在毛細(xì)力的作用下會向凍結(jié)的冰體遷移聚集，使凍結(jié)區(qū)的冰凍體不斷增大，由于渠道及其建筑物的結(jié)構(gòu)限制冰體的增大而產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力作用隨著冰體體積的不斷增大而增大。應(yīng)力在不斷增大的過程中，工程結(jié)構(gòu)抗力和變形不斷增加和積累，達(dá)到工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)彎矩、剪切和變形破壞應(yīng)力值時(shí)，導(dǎo)致渠道及建筑物結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、傾斜、位移、局部隆起或沉陷、甚至倒塌，應(yīng)力得到釋放。

2.4 融陷破壞

工程區(qū)進(jìn)入融冰期后，鼓脹地基土中的冰體、建筑物工作縫中的冰體、建筑物與建筑物間的冰體融化，造成建筑物的不均勻沉陷，導(dǎo)致渠道襯砌和建筑物的局部破壞。具體表現(xiàn)為凍體融化后，使地基土中含水量大大增加，加之工程結(jié)構(gòu)和細(xì)顆粒土排水能力差，土層處于飽和狀態(tài)，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承載力下降，結(jié)構(gòu)區(qū)域內(nèi)由于吸收陽光的能量多少不同，冰凍土融化速度不一致，部分區(qū)域因?yàn)楸w融化速度快，冰體產(chǎn)生的應(yīng)力很快得到釋放，部分區(qū)域因?yàn)槲贞柟獾哪芰可?，冰體融化速度慢，引力釋放慢，在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)不均勻應(yīng)力，甚至在局部出現(xiàn)應(yīng)力集中，引起道襯砌體及建筑物發(fā)生不均勻沉陷，結(jié)構(gòu)開裂、位移破壞；冰體融化后，部分融水的流失還會在地基土中、建筑物工作縫中、建筑物與建筑物間形成空隙、空腔、空穴，在重力作用下，渠道襯砌體及建筑物因沉降而發(fā)生破壞。

2.5 凍融循環(huán)破壞

工程區(qū)進(jìn)入封凍期后，隨著氣溫的下降會使地基土鼓脹、建筑物空隙間冰脹；工程區(qū)進(jìn)入融冰期后，隨著氣溫的上升，會使地基土中冰體融化、建筑物空隙間冰體融化；年復(fù)一年，形成結(jié)冰—融化—結(jié)冰—融化……的凍融大循環(huán)。在渠系建筑物的陽坡還形成晝夜凍融小循環(huán)。工程區(qū)進(jìn)入融冰期后，中午融冰，晚上結(jié)冰，融冰—結(jié)冰—融冰—結(jié)冰……日復(fù)一日，形成凍融小循環(huán)。不論是凍融大循環(huán)還是凍融小循環(huán)，都會造成渠系建筑物的破壞，只是破壞的程度有所不同。

3 防治凍脹措施

3.1 切斷毛細(xì)供水通道

切斷地基土與渠道襯砌和建筑物基礎(chǔ)間的供水通道是防治渠系建筑物凍脹破壞的措施之一。砂礫石層因?yàn)闆]有或具有很少量的結(jié)合水，毛細(xì)上升高度?。ㄒ话阈?5 cm），在渠道襯砌和建筑物基礎(chǔ)間鋪設(shè)一定厚度的砂礫石層，可以切斷地基土與渠道襯砌和建筑物基礎(chǔ)間的供水通道。在工程實(shí)踐中，采用砂礫石層換填一定厚度地基土來切斷毛細(xì)供水通道，可防治凍脹破壞。

3.2 防止砂礫料的污染和上層滯水的形成

做好沖溝、排洪溝、匯水凹地渠段的排水、排洪設(shè)施或工程措施，防止高含泥水污染渠基及建筑物地基土上部的排水砂礫料層。防止排水砂礫料層中因黏粒的增加使其排水性能失效甚至轉(zhuǎn)變成阻水層而形成局部上層滯水。

3.3 地基土中水分的排泄

渠道及其建筑物基礎(chǔ)區(qū)附近存在地下水且地下水位較高，毛細(xì)水上升高度能夠達(dá)到當(dāng)?shù)貎鐾翆?，使基礎(chǔ)凍土層能得到外部水源的補(bǔ)給時(shí)會發(fā)生強(qiáng)烈的凍脹現(xiàn)象。大砂溝工程區(qū)大部分沒有地下水，局部有地下水，但埋設(shè)較深。因此，基本沒有地下水引起的凍脹現(xiàn)象。引起凍脹現(xiàn)象的水源主要是雨水下滲、渠道及其建筑物沿工作縫滲漏水，使地基土中的水分增加甚至達(dá)到飽和，地基土中的水由于沒有在封凍前及時(shí)排泄，為凍脹破壞提供了較豐富的水源。因此，在工程建設(shè)與運(yùn)行維護(hù)中減少雨水入滲和渠道及其建筑物工作縫滲水，是阻治凍脹現(xiàn)象發(fā)生的重要措施之一。工程實(shí)踐中一是改設(shè)分塊澆筑襯砌為分段整體澆筑襯砌；二是采用聚氯乙烯膠泥做好伸縮縫的止水。

3.4 渠道的運(yùn)行管理

大砂溝灌區(qū)每年冬季灌溉結(jié)束一般在11月中旬左右，根據(jù)多年冬季氣候情況，最早封凍開始在12月1日左右，在冬季灌溉結(jié)束至封凍這段時(shí)間內(nèi)，由于渠道裂縫破損或伸縮縫止水失效形成的渠道滲水滲入渠基土，使建在黏土等細(xì)粒土區(qū)域的渠道及其建筑物地基土中水分不能有效的排泄，隨著溫度的持續(xù)下降，有充足水分遷移、補(bǔ)給，并在凍結(jié)冰體上聚集，使凍結(jié)冰體的體積不斷增大，產(chǎn)生凍脹破壞現(xiàn)象。

在工程運(yùn)行維護(hù)過程中及時(shí)加強(qiáng)渠堤孔洞、雨淋溝、沉陷坑、裂縫等的處理，利用停水間歇期，及時(shí)檢查渠道襯砌混凝土、伸縮縫、工作縫是否存在漏水，及時(shí)處理側(cè)墻底板裂縫，修復(fù)伸縮縫止水，處理工作縫滲漏問題。加強(qiáng)渠道滲漏處理和渠道及其建筑物周圍地表排水，防止地基土中的含水量增加。

3.5 生態(tài)排水措施

在距離渠堤或建筑物3～5 m范圍種植樹木，通過樹木吸收土體內(nèi)的水分，達(dá)到降低渠系建筑物周邊土體的含水量，降低凍脹破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

通過分析大砂溝工程渠道及其建筑物產(chǎn)生凍脹破壞的原因，提出了在工程設(shè)計(jì)、施工及渠道及其建筑物的運(yùn)行維護(hù)過程中，根據(jù)工程實(shí)際和特點(diǎn)，采取防治凍脹措施，取得了較好的防治凍脹效果，保證了工程渠道及其建筑穩(wěn)定和安全運(yùn)行，確保了工程的耐久性和工程壽命。