曹 倩，孫 博，曹文京

(山東省膠東調(diào)水局，山東 濟(jì)南250010)

明渠襯砌凍脹破壞成因分析及防凍脹措施研究

曹 倩，孫 博，曹文京

(山東省膠東調(diào)水局，山東 濟(jì)南250010)

山東省膠東調(diào)水工程所在區(qū)域位于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，有明顯的海洋性氣候特征，在冬季引水時，受到低溫、冰凌影響對明渠襯砌工程產(chǎn)生凍脹破壞，嚴(yán)重影響引水安全。從渠道的凍脹原因入手，尋求合理的防凍脹措施。

渠道;襯砌;凍脹破壞;成因分析;措施

山東省膠東調(diào)水工程位于我省膠東半島北部，渠首至引黃濟(jì)青宋莊分水閘段為利用現(xiàn)的引黃濟(jì)青工程，輸水線路長160.5 km;宋莊分水閘一威海市的米山水庫為新辟線路，輸水線路長306.703 km，是一項以輸水為主，同時兼顧防洪、排澇、灌溉等多功能于一體的長距離跨流域調(diào)水工程。膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程輸水明渠位于我省膠東半島的東北部，渠首位于昌邑市引黃濟(jì)青輸水河設(shè)計樁號160+500處，輸水明渠沿萊州灣海岸，向東北方向至龍口市的黃水河泵站，輸水線路全長159.609 km，途經(jīng)昌邑、平度、萊州、招遠(yuǎn)、龍口共5個縣級市。膠東調(diào)水工程輸水明渠段工程位于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，但具有明顯的海洋性氣候特征。多年平均氣溫11℃～14℃無霜期為200～220 d。多年(1956～2010年)平均降水量654.0 mm是我省降水量低值區(qū)。年平均蒸發(fā)量在900～1 000 mm之間，屬于半干旱半濕潤地區(qū)。處于季節(jié)性凍土地區(qū)，地表層存有冬凍春融的凍結(jié)融化層，土體發(fā)生的物理力學(xué)性質(zhì)的擠壓和減壓變化，直接影響著上部建筑物的穩(wěn)定性，如地表凍脹隆起、融化沉陷，導(dǎo)致基土上建筑物受到不同程度的破壞。渠道冬季輸水，形成大氣與水之間的熱量交換，當(dāng)水面負(fù)溫時，即開始結(jié)冰，經(jīng)過冰絮、岸冰、流冰、封凍、解凍等過程，流冰中的冰塞、冰壩和壅高將對渠道上建筑物和渠道兩側(cè)起到破壞作用，產(chǎn)生的渠道變形、開裂和滑塌現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了工程的正常運(yùn)行和效益的充分發(fā)揮，大大降低了渠道的使用壽命。

1 渠道砼襯砌凍脹破壞的影響因素及成因分析

1.1 影響因素

渠道凍脹破壞是由于渠基土受凍體積膨脹頂托襯砌板，從而使襯砌板也承受不均勻凍脹變形的作用，當(dāng)襯砌體內(nèi)彎曲應(yīng)力或剪應(yīng)力超過一定范圍時，便產(chǎn)生襯砌體的凍脹、裂縫鼓起、錯位等形式的破壞。根據(jù)施工現(xiàn)場看，造成渠基土受凍引發(fā)襯砌不均勻凍脹破壞的影響因素主要有以下幾點(diǎn)。

1.1.1 土質(zhì)

在一定負(fù)氣溫條件下，當(dāng)土質(zhì)中的水發(fā)生水分遷移和分凝冰層時會導(dǎo)致土質(zhì)凍結(jié)，進(jìn)而造成砼襯砌凍脹破壞。而不同的土質(zhì)凍結(jié)過程中，土質(zhì)的水分遷移量不同，即土的凍脹敏感性不同。根據(jù)資料說明，土的凍脹敏感性決定于土顆粒的分散性、礦物成分等。一般隨著顆粒粒徑減少和分散性增大，其凍脹性也增大。粒徑＜0.01～0.05 mm時就會發(fā)生凍脹，粒徑為0.05～0.002 mm時，具有最大的凍脹性，當(dāng)粒徑＜0.002 mm時，凍脹性相應(yīng)減弱。在自然條件下，不同土壤的凍脹量順序如下:粉質(zhì)粘土＞壤土＞砂壤土＞重粘土＞砂土＞砂礫。

1.1.2 含水率

從材料來說，渠道襯砌的材料具有一定的孔隙，其內(nèi)部所含有一定的水分，在低溫下結(jié)成冰，體積會發(fā)生膨脹，當(dāng)這種作用引起的應(yīng)力超過材料強(qiáng)度時，就會使襯砌體表面產(chǎn)生一定數(shù)量的小裂縫。再經(jīng)過數(shù)次的周期性凍融循環(huán)，襯砌裂縫的擴(kuò)展增強(qiáng)了滲漏，加快了基土的凍脹及襯砌的凍脹破壞。因此，渠基土的含水率是渠道砼襯砌凍害的決定性因素。渠基土含水率大，凍脹量就大;含水率小，凍脹量就小。同時，地下水位的埋深也對渠道的凍脹有重要的影響。山東省水科院經(jīng)試驗認(rèn)為，對土體凍深有影響的地下水埋深范圍(L)應(yīng)≤土壤毛細(xì)水上升高度(H)與土體凍深(Z)之和，即L≤H+Z。

1.1.3 溫度

介質(zhì)溫度愈低，土中水分相變成冰愈多，凍脹愈強(qiáng)。低溫時渠道輸水使大量水分滲入土體，使砌體下土體水分增大。冷空氣的侵襲，使土體水分遷移引起分凝冰層產(chǎn)生，導(dǎo)致土體凍脹和融弱層的出現(xiàn)及冷鋒面的變化，破壞土體原結(jié)構(gòu)。長期的低溫，使土體表層與深層冷暖面溫差越來越大，凍結(jié)緣不斷將未凍區(qū)域水分遷移到冰凝層，使凍結(jié)緣越來越厚，在地下水位較高地域更嚴(yán)重。

1.1.4 走向

渠道的走向不同，使各斷面的日照、風(fēng)速和溫度狀況有很大差別。南北走向的渠道陰陽兩坡條件相似，凍結(jié)規(guī)律大致相同，但由于坡頂為二向凍結(jié)，受風(fēng)的作用較大，含水量較小，表現(xiàn)為渠坡上部凍深最大，渠底最小，陰坡凍深略大于陽坡10%～20%;東西走向的渠道由于日照的影響，陰陽兩坡凍結(jié)與凍深差別明顯，陰坡開始凍結(jié)日期比陽坡早，凍結(jié)深度也較大。

1.1.5 襯砌材料和結(jié)構(gòu)形式

從材料方面說，渠道襯砌的材料具有一定的孔隙，又經(jīng)常處于水環(huán)境中，其內(nèi)部總是含有一定的水分，在低溫下結(jié)成冰，體積會發(fā)生膨脹，當(dāng)這種作用引起的應(yīng)力超過材料強(qiáng)度時，就會使襯砌體表面產(chǎn)生一定數(shù)量的小裂縫，再經(jīng)過數(shù)次的周期性凍融循環(huán)，襯砌裂縫的擴(kuò)展增強(qiáng)了滲漏，加快了地基土的凍脹及襯砌的凍脹破壞，加劇水分進(jìn)入襯砌體內(nèi)部，從而使襯砌體產(chǎn)生剝蝕。從結(jié)構(gòu)方面來說，渠道襯砌是修筑在渠道基土上的薄壁輕型結(jié)構(gòu)，在凍脹作用下，各部位的受力不均勻，襯砌體適應(yīng)能力不強(qiáng)，也易使砌體破壞，如襯砌板斷裂，坡板滑塌等。

1.2 渠道凍脹破壞成因分析

研究和試驗表明，造成渠道凍脹破壞的主要因素為低氣溫、凍脹性土壤及高含水量。輸水明渠所經(jīng)膠東地區(qū)，冬季氣溫低，負(fù)溫持續(xù)時間長，土壤組成多為粉粒含量高的凍脹性土壤，沿線地下水位雖然不高，但輸水時間主要集中在冬季，輸水期間含水量也會相對較高，因此輸水渠在運(yùn)行過程中必然會出現(xiàn)渠床土壤凍脹現(xiàn)象，可能造成渠道襯砌的破壞。根據(jù)渠道所經(jīng)地區(qū)的地質(zhì)條件、渠道走向及襯砌方式，分析計算各渠段、各部位的凍脹量，確定采取防凍保溫的措施。

渠道邊坡襯砌層和其下凍土層之間凍結(jié)約束的存在與否是邊坡襯砌層會不會受凍脹力的必要條件，若此約束存在，則可能出現(xiàn)凍脹力，若此約束解除，則其不受凍脹力作用?，F(xiàn)澆混凝土和預(yù)制混凝土板屬于剛性襯砌材料，板體較薄，具有較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度較低，適應(yīng)拉伸變形和不均勻變形的能力低。因此，當(dāng)襯砌板與渠坡間不存在或存在較小的凍脹力的情況下，坡面襯砌混凝土板將向外推移;當(dāng)襯砌板與渠坡間存在較大的凍脹力的情況下，就會在坡面下部發(fā)生折斷、隆起、架空等形式的破壞。

在冬季氣溫降至0℃以下時，由于渠床土中含水量不同和土壤凍脹量不同，造成斷面上各點(diǎn)的凍脹不均勻，是襯砌渠道破壞的根本原因。渠床土產(chǎn)生不均勻凍脹的原因有以下幾個方面:渠床土壤分布不均勻，不同的土壤有不同的凍脹敏感度;渠床土含水程度不同，產(chǎn)生不同的凍脹力;渠道受日照的程度不同，使渠床溫度不同，引起不均勻凍脹。

梯形混凝土襯砌渠道凍脹破壞的主要原因是混凝土襯砌陰坡和陽坡板與渠底板固結(jié)，而且渠道混凝土襯砌體被渠床凍土約束，當(dāng)氣溫降到結(jié)冰點(diǎn)以下時，首先在襯砌板和土層接觸面間的孔隙中產(chǎn)生冰晶體，在毛細(xì)力作用下，土體中的水分向冰晶體遷移，使冰晶體越來越大。溫度繼續(xù)降低，在渠基土孔隙中也產(chǎn)生了冰晶體，同樣在毛細(xì)力作用下，更深部位土體中的水分向上部遷移，上部土體中冰晶體逐漸增大，土體凍脹更大，并形成凍土層，土體體積膨脹表面隆起，隨氣溫的再降低，凍土層的深度逐漸加深，凍脹量逐漸增大，凍脹力逐漸增大，致使混凝土襯砌板結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生了較大的彎矩和較大的拉應(yīng)力、壓應(yīng)力，當(dāng)陰坡板、渠底板和陽坡板受到的彎矩、拉應(yīng)力和壓應(yīng)力超過所承受的極限時，渠道混凝土襯砌板就發(fā)生凍脹破壞。

2 凍脹分析計算

從凍脹破壞成因的分析中可以看出，地下水位、渠道走向、渠床土壤的性質(zhì)及運(yùn)行工況決定著渠床土壤凍脹位移的大小。因此，膠東調(diào)水輸水明渠工程根據(jù)沿線不同的土壤地質(zhì)、地下水位值、渠道走向等進(jìn)行分析，取典型斷面進(jìn)行計算。

2.1 計算條件

冬季輸水結(jié)束后渠道內(nèi)無水，地下水位按最高值考慮，選取斷面上不同位置的7個控制點(diǎn)，分別進(jìn)行計算。斷面控制點(diǎn)的位置見圖1。

2.2 凍脹量計算

膠東地區(qū)引黃調(diào)水輸水明渠段凍脹量的計算，根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL23—91)，采用各地市的氣象資料進(jìn)行計算，并參照與其地理位置、氣象、氣溫條件相近的引黃濟(jì)青輸水河平度段的凍深資料及計算成果進(jìn)行分析確定。

圖1 凍漲量計算控制點(diǎn)位置圖

2.2.1 凍結(jié)深度的確定

最大凍深根據(jù)《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(JGJI18一98)中“中國季節(jié)凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深線圖”選取。膠東調(diào)水工程輸水渠各段標(biāo)準(zhǔn)凍深見表1。

表1 輸水渠沿線標(biāo)準(zhǔn)凍深計算表

設(shè)計凍深根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL23—2006)中公式 3.1.3 確定。

式中:Zd為工程設(shè)計凍深(cm);Zm為歷年最大凍深(cm);φd為考慮日照及遮蔭程度的修正系數(shù);φw為地下水影響系數(shù)。

選取明渠典型斷面進(jìn)行計算，經(jīng)計算，設(shè)計凍深在34.34～88.52 cm 之間。

2.2.2 凍脹量的計算

采用《渠系工程抗凍脹設(shè)計規(guī)范》(SL23—2006)得出各典型斷面不同控制點(diǎn)的凍脹量。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，Ⅰ級工程梯形斷面渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹允許法向位移值為5 mm。由計算結(jié)果可知，渠坡及渠底凍脹量均大于允許位移值，需采取保溫措施。

3 渠道襯砌抗凍脹防護(hù)措施分析

由于混凝土的造價較高，我國均采用薄板襯砌，不能采取抵抗性措施來達(dá)到防治凍害的目的，必須從適應(yīng)、回避、削減或消除凍脹等方面因地制宜地選用經(jīng)濟(jì)合理的一種或多種措施來解決渠道防凍脹破壞的問題。對于土的凍脹性為Ⅰ、Ⅱ級渠道，凍脹位移值與襯砌允許位移值相差不大，可采用適應(yīng)凍脹位移的結(jié)構(gòu)措施解決防凍脹破壞的問題;Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級凍脹性渠道，位移值與允許值相差較大，多采用回避、削減或消除凍脹的措施方案解決防凍脹破壞的問題。

3.1 適應(yīng)凍脹法

主要是通過合適的渠道建筑材料、斷面結(jié)構(gòu)和襯砌分縫來適應(yīng)凍脹變形。如斷面結(jié)構(gòu)采用弧形、弧形坡腳梯形、整體式混凝土U形槽斷面等型式。對于采用剛性材料襯砌的渠道，調(diào)整混凝土襯砌板縱橫縫的距離、縫形、縫寬和填充材料，防止襯砌板隆起、裂縫，以適應(yīng)削減凍脹變形。現(xiàn)澆混凝土大板襯砌，建議縱向每隔3～5 m橫縫;沿垂直渠線方向間隔1～4 m設(shè)一縱縫;縫寬10～13 mm。

3.2 削減凍脹法

當(dāng)渠基土壤出現(xiàn)最大凍脹量，在凍脹融化的反復(fù)作用下，襯砌體產(chǎn)生凍脹累積變形和殘余位移破壞。在技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面適應(yīng)、回避等方法難以解決，考慮采用削減或消除凍脹法，將渠基的最大凍脹量削減到襯砌結(jié)構(gòu)允許位移范圍內(nèi)。削減凍脹量的措施有:置換砂礫墊層、隔熱保溫、壓實干密度、防滲排水等

3.2.1 沙礫墊層置換基土

沙礫墊層置換基土技術(shù)是指用風(fēng)積砂、砂礫石等弱凍脹性土，置換渠基原有土壤，降低凍脹量的方法。其換填厚度根據(jù)土壤類別、地下水位埋深確定，可按下式計算:

式中:Zn為換基厚度 ，m;ε為換填比;δo為防滲層厚度，m;Zd為換基部位的設(shè)計凍深 ，m。

在工程中，為了避免粗砂換填設(shè)反濾層不經(jīng)濟(jì)、難施工和水流挾帶泥沙易進(jìn)入換填層影響質(zhì)量的缺陷，可采取纖維砂袋換填的新方法。砂袋可起到隔離、排水和反濾3種作用，施工中易于搬運(yùn)鋪設(shè)，對外力的破壞有一定的適應(yīng)能力，導(dǎo)水性弱，可較好地阻止凍結(jié)期基土中水分向換填層中轉(zhuǎn)移，整體性強(qiáng)，能增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性。

3.2.2 采取保溫措施

在襯砌體下部設(shè)置隔熱保溫材料，割斷下層土的水份補(bǔ)給，以消減凍深和凍脹，相應(yīng)減小置換深度。當(dāng)前在國內(nèi)、外廣泛的應(yīng)用聚苯乙烯泡沫塑料，平均每厘米厚保溫板可提高基土溫度1.3℃ ～1.8℃，陽坡為0.7℃左右。平均每厘米厚保溫板可減少東西走向渠道陰坡為6.8～11.3 cm，陽坡為5.0 ～11.7 cm;南北走向渠道陰坡 9.5 ～10.4 cm，陽坡為6.9～9.5 cm的凍深值，并隨保溫板厚度的增加凍深呈線性規(guī)律減小。在不同渠道走向陰、陽坡保溫板厚度上，東西走向渠道陰坡上部鋪設(shè)4～5 cm，下部鋪設(shè)8～10 cm厚保溫板，陽坡上部鋪設(shè)3 cm、下部鋪設(shè)5 cm厚保溫板，南北走向渠道陰坡上下部鋪設(shè)5～8 cm、陽坡上下部鋪設(shè)3～5 cm保溫板?？苫净蛲耆齼雒浟?，減小產(chǎn)生凍脹破壞。

3.2.3 提高基土密實度

用壓實和強(qiáng)夯提高渠床非粉質(zhì)粘性土的干密度，降低孔隙率、減弱透水性，從而削減凍脹能力，阻礙水份遷移聚集，達(dá)到防止凍害的目的。施工過程中，按照土石壩碾壓施工要求，用壓實或強(qiáng)夯分層碾壓，提高基土密實度。要求干密度達(dá)到1 650 kg/m3，使強(qiáng)凍脹土變成無凍脹土壤，從而達(dá)到防治凍脹的目的保證填筑標(biāo)準(zhǔn)。由于提高了填方的密實度，減少了土壤的空隙，提高了不透水性，減少了滲漏和基土的含水量，有助于防止基土凍脹。

3.2.4 排水法

在渠床凍層下設(shè)置縱、橫向暗管排水系統(tǒng)(排水管可采用帶級配的反濾砂石料也可用波紋塑料管或土工織物等新材料)降低地下水位和基土含水量，把渠床凍結(jié)層中的重力水或渠道旁滲水排出渠外。當(dāng)深層地下水埋深大于工程設(shè)計凍深時，可在渠底每隔10～20 m設(shè)一盲井，使凍結(jié)層有排水路時，同時可在工程設(shè)計凍深底部設(shè)置縱、橫向暗排水系統(tǒng)，把凍結(jié)層水或渠道旁滲水排出渠外，防止渠床土產(chǎn)生凍脹。

3.2.5 蓄水保溫法

根據(jù)天氣預(yù)報和當(dāng)?shù)貧鉁馗淖兂跛诤屯Ｋ掌?，使冰凍期渠道處于干燥無水，減小凍結(jié)內(nèi)因，避免凍脹。或者不間歇輸水，達(dá)到一定流速的水流在－10℃以上可防止渠道土體凍結(jié)。具體辦法是在凍結(jié)期以前進(jìn)行蓄水保溫，使土體含水量在冰結(jié)期以前降低至非飽和狀態(tài)，或者凍結(jié)期不間歇地輸水運(yùn)行，直到凍結(jié)期后，使渠道土體始終處于動水影響下，防止渠道土體凍脹。當(dāng)然用此管理調(diào)節(jié)運(yùn)行減小凍脹只適用于氣溫不很低的情況。

4 防凍脹工程施工

實踐證明，采取單一措施是難以達(dá)到防治襯砌工程的凍害的目的，要針對產(chǎn)生凍脹的因素，采取有主有次的綜合措施。不但是規(guī)劃布置、渠道設(shè)計、排水、保溫、襯砌結(jié)構(gòu)等措施經(jīng)濟(jì)合理，而且要重視施工質(zhì)量、管理維修，防治冰、凍害預(yù)案，才能達(dá)到滿的防凍害效果。施工中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求:一是保證有良好的排水系統(tǒng)。無論是采取適應(yīng)、回避和削減等措施都要建立在良好排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，有外排條件的盡量外排，沒有外排條件的采取內(nèi)排型式，必要時采取強(qiáng)排措施。施工中要搞好反濾層、防止淤塞、管涌和流土。二是保證防滲工程質(zhì)量，防止漏水。如鋪設(shè)防滲層，處理好膜料接縫;處理好混凝土板凍變形縫的填料，施工中不能刺破防滲層，刺破后必須粘補(bǔ)密封。三是置換工程要選擇好砂礫料級配，保證回填質(zhì)量;壓實工程要保證實壓厚度和干密度;保溫板要符合設(shè)計質(zhì)量要求，鋪設(shè)的粘結(jié)質(zhì)量要求牢固耐久。四是建立施工質(zhì)量控制與質(zhì)量體制，保證施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求，對于混凝土、砂礫料、保溫板與土和膜結(jié)合的穩(wěn)定等一些關(guān)鍵技術(shù)都應(yīng)預(yù)先進(jìn)行試驗和施工測試，取得經(jīng)驗后才正式的施工。

5 結(jié)論及建議

渠道凍脹破壞是影響襯砌防滲效果和渠系工程發(fā)揮效益的主要原因之一，只有從規(guī)劃、設(shè)計、施工和管理等各方面入手，采取綜合防治措施，在工程材料、結(jié)構(gòu)型式、設(shè)計方法、施工工藝等方面深入研究，形成更加系統(tǒng)的渠道防滲防凍工程技術(shù)才能有效地削減、消除和回避凍脹，節(jié)省人力物力節(jié)約水資源，提高工程耐久性，充分發(fā)揮工程效益。在今后的研究工作中，以下幾點(diǎn)有待進(jìn)一步加以解決。一是在凍深、凍脹預(yù)報和凍脹性工程分類等方面，仍比較粗糙，參數(shù)取值范圍還很大，需結(jié)合國內(nèi)外已發(fā)展起來的凍脹模型，采用經(jīng)驗和理論相結(jié)合的方法，使其更為理性，更加精確;二是施工機(jī)具是提高工程質(zhì)量和加快工程進(jìn)度的重要設(shè)備，而現(xiàn)有工程中大量采用的梯形渠道，卻沒有適用的襯砌機(jī)械問世，多采用人工施工，容易造成質(zhì)量隱患，這種狀況應(yīng)盡快改變;三是渠道防滲防凍脹工程技術(shù)復(fù)雜，應(yīng)加大科研投入，加強(qiáng)跨行業(yè)合作，進(jìn)一步研究防滲、高強(qiáng)、抗老化、適應(yīng)凍脹變形的新材料、新工藝，開發(fā)大型的襯砌施工機(jī)械，以提高工程的質(zhì)量和技術(shù)水平;同時，加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)和宣傳推廣，建立健全工程設(shè)計的審查評議和工程施工的監(jiān)理監(jiān)測各項制度。

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1004－1184(2012)04－0173－03

2012－04－19

曹倩(1986－)，女，山東聊城人，助理工程師，主要從事安全生產(chǎn)與質(zhì)量監(jiān)督工作。