李麗萍 王虹妮

（1.寶雞市地下水管理監(jiān)測(cè)處，陜西 寶雞 721001；2.寶雞市石頭河引水工程建設(shè)處，陜西寶雞 721004）

寶雞市位于陜西省關(guān)中西部， 境內(nèi)有寶雞峽引渭灌區(qū)及馮家山水庫、 石頭河水庫灌區(qū)3 個(gè)大型灌區(qū)， 共有設(shè)施面積14.062 萬hm2，有效灌溉面積13.177hm2。同時(shí)馮家山水庫、石頭河水庫兼有城市供水及工業(yè)供水的任務(wù)。

中央一號(hào)文件中，關(guān)于加強(qiáng)農(nóng)田水利工程（渠道襯砌約占85%的投資）的建設(shè)，對(duì)寶雞市灌區(qū)建設(shè)和糧食安全及經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益及現(xiàn)實(shí)意義。 但在農(nóng)田灌溉供水中，多數(shù)用明渠引水，為減少渠道的滲漏損失，增加過水能力，通常對(duì)渠道采用混凝土襯砌。 寶雞峽引渭灌區(qū)及馮家山水庫、石頭河水庫灌區(qū)屬于典型的北方旱寒灌區(qū)， 自然條件惡劣，干旱缺水，季節(jié)性凍土分布廣泛，灌排渠道凍脹破壞非常嚴(yán)重，影響了渠道的輸水性能。 探討解決灌區(qū)內(nèi)襯砌渠道凍脹破壞的問題，不僅對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉，農(nóng)村用水等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活有著重大影響，而且可以最大限度減少水資源損失及浪費(fèi)，提高工程效益及管理水平。

1 灌區(qū)混凝土襯砌渠道凍脹破壞的原因

造成混凝土襯砌渠道凍脹的主要因素是水在溫度的變化的情況下對(duì)混凝土襯砌板本身及基土反復(fù)凍脹與融化而造成的。 混凝土是由膠凝材料（水泥）、水、細(xì)骨料（砂）、粗骨料（石子）等材料按適當(dāng)?shù)谋壤?jīng)過拌制而成的拌合物。水在0℃以下結(jié)冰成固態(tài)，體積就會(huì)發(fā)生膨脹，溫度越低，體積膨脹程度越大，經(jīng)過冬季反復(fù)凍脹與融化，最終造成混凝土的凍脹破壞。 產(chǎn)生混凝土襯砌渠道凍脹破壞的原因有以下幾個(gè)方面：（1） 土體的多孔松散性為土體內(nèi)水分的存在創(chuàng)造了存在和遷移空間；（2）渠道輸水滲漏增大土體中的水的含量，甚至使土體水分飽和，為結(jié)冰造成了條件；（3）冬季低溫，使凍土層和未凍層(包括地下水)水分遷移，冰層形成與發(fā)育而引起土體發(fā)生凍脹現(xiàn)象。

2 渠道混凝土襯砌凍脹破壞的形式

當(dāng)凍脹力超過一定的限度，達(dá)到了防護(hù)材料（混凝土襯砌板）的許用極限時(shí)，將會(huì)造成渠道防護(hù)層的發(fā)生鼓脹、裂縫（現(xiàn)澆混凝土板）、錯(cuò)位（預(yù)制安砌）、表面脫落等破壞現(xiàn)象。 通過大量的調(diào)查和試驗(yàn)，渠道的破壞形式主要有以下幾種情況。

2.1 表面脫落

混凝土內(nèi)部孔隙（主要是混凝土振搗不密實(shí)，從而形成孔隙）內(nèi)含有一定水分，在溫度下降到0℃以下結(jié)下凍結(jié)成冰，體積增大，產(chǎn)生向外的作用力，當(dāng)作用力大于混凝土強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，從而增大混凝土孔隙吸水量，便會(huì)產(chǎn)生更大的作用力，經(jīng)過多個(gè)凍融循環(huán)變化，混凝土內(nèi)部的因冰水反復(fù)變化，其內(nèi)部作用力也在反復(fù)變化，混凝土表面砂漿面層因作用力長時(shí)間的變化就會(huì)發(fā)生脫落。 這種現(xiàn)象主要發(fā)生在振搗不密實(shí)的混凝土表面。

2.2 鼓脹及裂縫

混凝土襯砌板承受著水的重力、水流的沖刷力、溫度變化所發(fā)生的溫度應(yīng)力、凍土的膨脹力、凍脹力以及混凝土板本身收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力等多種內(nèi)外力的作用，當(dāng)這些應(yīng)力值大于混凝土板自身強(qiáng)度的極限應(yīng)力值時(shí)，就會(huì)發(fā)生破壞變形。 這種變形主要表現(xiàn)為混凝土襯砌板的鼓脹與裂縫，發(fā)生部位多數(shù)在尺寸較大的混凝土板順?biāo)鞣较颍?渠道坡板坡腳以上1/4～2/3 范圍內(nèi)和底板中部。

2.3 鼓起、架空

對(duì)于地下水位埋藏較淺的渠道， 由于渠底距地下水比較近，容易發(fā)生凍脹破壞，且凍脹量比渠頂凍脹量小，則容易造成混凝土襯砌大幅度鼓起、架空。 這些現(xiàn)象一般發(fā)生在坡腳或水面以上坡面處和渠底中部等部位。

2.4 滑塌

渠道襯砌的凍融滑塌產(chǎn)生的原因主要有兩點(diǎn)： 一是由于渠道發(fā)生鼓起與架空形象， 混凝土襯砌板支承結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，受到破壞， 襯砌板失去穩(wěn)定平衡， 上部板塊順坡向下滑移、錯(cuò)位，互相穿插；二是渠道邊坡土體在凍融變化期及暴雨發(fā)生是的產(chǎn)生大面積滑坡，渠堤滑塌，導(dǎo)致渠坡腳處混凝土板被推開，上部襯砌板塌落下滑。

2.5 整體上抬

對(duì)于渠深在1m 左右弱凍脹地區(qū)和襯砌整體性較好的渠道(如U 形渠道)，基土的凍脹不均勻性較小，在凍脹力的作用下，渠道可能發(fā)生整體上抬。

3 減輕或消除混凝土襯砌渠道凍脹破壞的措施

造成混凝土襯砌渠道凍脹的主要因素是水、 溫度和凍脹土。 渠道是否產(chǎn)生凍脹破壞，其破壞程度如何，主要取決于渠床的土質(zhì)條件、土體含水量、溫度條件及工程結(jié)構(gòu)型式等因素。 自20 世紀(jì)70 年代以來，我國混凝土渠道工程抗凍脹技術(shù)的發(fā)展，始終與防滲技術(shù)緊密結(jié)合，“允許有一定凍脹位移量”的工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和“回避、適應(yīng)、削減或消除凍脹”的設(shè)計(jì)原則，根據(jù)凍害成因分析并結(jié)合工程具體條件，可以從改善渠基土質(zhì)、改善水分條件、改善溫度條件等幾個(gè)方面來減輕或消除混凝土襯砌渠道凍脹破壞。

3.1 改善土質(zhì)條件

土的凍脹特性取決于土粒的分散性及組成成分等。 土料顆粒粒徑越小，其分散性就越大，凍脹性也隨之增大。 在自然條件下，土壤的凍脹量大小順序如下：粉質(zhì)粘土＞壤土＞砂壤土＞重粘土＞砂土＞砂礫。

3.1.1 基土置換法

基土置換法是指在凍土層范圍內(nèi)將凍脹性基土換成非凍脹性材料以降低渠道基土凍脹的措施。 置換材料與原狀土之間設(shè)置反濾層或用土工織物隔離， 同時(shí)在置換層設(shè)置排水措施。置換深度可按如下公式計(jì)算得出：

式中：Hn為置換深度，cm；Zd為設(shè)計(jì)凍深，cm；δc為襯砌板厚，cm；ε 為置換比。

3.1.2 強(qiáng)夯增重法

強(qiáng)夯壓實(shí)可以降低土體孔隙率，增大土體重量與干密度，減小基土的透水性，高密度的土體可以有效地阻礙水分移動(dòng)與聚結(jié)。 在施工時(shí)參照土壩碾壓施工規(guī)范要求，進(jìn)行分層夯打碾壓，使干密度達(dá)到1650～1700kg/m3，將強(qiáng)變成弱凍脹土，凍脹土變?yōu)榉莾雒浲?，從而減輕乃至消除基土土體凍脹。 甘肅省曾在1985 年對(duì)靖遠(yuǎn)三場塬電灌干渠進(jìn)行強(qiáng)夯壓實(shí)， 干密度在錘下2m 范圍內(nèi)達(dá)到1.6～1.8kg/m3，取得了較好的抗凍脹效果[1]。

3.1.3 土體加筋法

在基土回填施工過程中，往土體內(nèi)布設(shè)加筋帶、土工格柵等材料，從而改善土體的抗拉、抗剪強(qiáng)度，增加基土的整體穩(wěn)定性。 當(dāng)基土發(fā)生凍脹時(shí)，加筋帶及土工格柵燈材料將發(fā)生拉伸變形，從而減少了基土凍脹變形，抑制基土水分遷移。 同時(shí)這些筋料材料可使凍脹土向非凍土區(qū)發(fā)展，而下減小基土凍脹量[2]。

3.2 改善溫度條件

介質(zhì)溫度愈低，土中水分變成冰愈多，凍脹則愈強(qiáng)。 長期的低溫作用， 使表層土體與深層土體冷暖面溫差越來越大，凍結(jié)緣不斷將未凍土層水分遷移到凍結(jié)區(qū)， 使凍結(jié)層越來越厚，地下水位埋藏較淺的區(qū)域這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。 在渠道施工時(shí)，預(yù)先在混凝土襯砌板下面鋪設(shè)隔熱保溫材料，消除外界氣溫變化對(duì)土體溫度的直接作用， 以效減輕或消除溫度對(duì)基土的影響，從而減輕或消除基土凍脹。

3.3 改善水分條件

3.3.1 排水措施

排水措施主要有渠底埋設(shè)排水暗管、 渠坡砂礫石反濾層內(nèi)埋設(shè)排水暗管、渠堤外側(cè)埋設(shè)排水暗管等措施，以此來降低基土壤含水率。

3.3.2 隔水措施

采用塑料薄膜、彩條布、油氈、膨潤土防水毯、復(fù)合土工膜等，設(shè)置隔水層，隔斷渠道滲水、大氣降水和地下水等對(duì)凍結(jié)層的補(bǔ)給，從而減輕或消除凍脹。

3.4 采用合理斷面形式

將混凝土襯砌渠道斷面設(shè)計(jì)成“U”型、弧形或弧底梯形，其的結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖是一個(gè)兩端彈性支座的無鉸拱。 當(dāng)受到渠道基土凍脹力作用時(shí)， 弧形段的剛性防滲層內(nèi)部受的是壓應(yīng)力，不易開裂。 “U”型、弧形或弧底梯形渠道近年來發(fā)展很快，具有輸水條件好，占地少，挾沙能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且在凍脹變形中變形均勻，產(chǎn)生裂縫較少，目前各灌區(qū)都在推廣這幾種斷面形式。

3.5 合理運(yùn)行

盡量不在寒冬季節(jié)進(jìn)行渠道輸水，確實(shí)需要在低溫期（0℃以下）進(jìn)行輸水，就必須是連續(xù)輸水，并保持在最低設(shè)計(jì)水位以上運(yùn)行。 絕對(duì)不能是放放停停、斷斷續(xù)續(xù)的輸水。 在渠道管理中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)修補(bǔ)損壞的渠道混凝土，保持其防滲層完整無破漏，外界水不能滲入砌體背后，另外還要保證各種排水設(shè)施暢通。

4 結(jié)束語

凍脹是造成混凝土襯砌渠道破壞的主要原因， 防止渠道襯砌凍脹破壞，保護(hù)工程設(shè)施完整，充分發(fā)揮工程效益是一項(xiàng)長期的任務(wù)。 在凍脹防治過程中，只有從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、管理維修等全方面考慮，綜合運(yùn)用各種措施努力減輕或消除襯砌渠道凍脹的危害，才能使防滲渠發(fā)揮最大的效益。

[1]朱強(qiáng).我國渠道凍脹防治綜述[J].防滲技術(shù)，1996，2(2)：7-17

[2]何光春，周世良.加筋土技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23(5)：11-15