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(1.四川郫縣水務(wù)局，四川 郫縣，611730；2.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司亭子口施工局，成都，610081)

1 渠道基土凍脹概述

1.1 凍脹土的物理性質(zhì)

凍脹土簡(jiǎn)稱(chēng)凍土，是由固體的礦物顆粒、塑性的冰、液態(tài)的水和氣體組成的四相體系。凍土按凍結(jié)時(shí)間可分為多年凍土(凍結(jié)幾年以上)、季節(jié)凍土(1～2個(gè)季度)、短暫凍土(幾晝夜)；按凍結(jié)狀態(tài)可分為堅(jiān)硬凍土(低溫凍土)、塑性?xún)鐾?高溫凍土)；按含冰量可分為富冰凍土(體積含冰量大于50%)、含冰凍土(50%～25%)、微合冰凍土(小于25%)。因凍結(jié)時(shí)水分遷移的變化，按冰在凍土體中的分布，凍土又可分為整體狀、層狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

1.2 襯砌渠道基土凍脹的基本原理

渠道基土的凍結(jié)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是熱量的傳遞過(guò)程，在這個(gè)傳熱過(guò)程中,包含了熱量傳遞的基本方式——導(dǎo)熱、對(duì)流與輻射。

在季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)，地表一定深度下土體溫度為正溫，并接近于大氣多年平均溫度,隨著冬季大氣氣溫下降出現(xiàn)負(fù)溫,地表面放熱超過(guò)熱吸收，熱平衡出現(xiàn)負(fù)值。一方面，近地冷氣掠過(guò)地表，使地表向外散熱，這一熱量傳遞過(guò)程為對(duì)流換熱；另一方面，地表吸收太陽(yáng)輻射熱，使地表增溫，由于地表下土層向外放熱，保持動(dòng)態(tài)熱平衡，于是隨著時(shí)間的推移，凍結(jié)從地表開(kāi)始向下進(jìn)行，下部土層向上部土層傳遞熱量，這一過(guò)程即為導(dǎo)熱。因此，土體的凍結(jié)過(guò)程就是在介質(zhì)溫度的影響下，未凍土層向凍結(jié)土層導(dǎo)熱的過(guò)程。

在基土凍結(jié)的過(guò)程中，凍土內(nèi)部的溫度是不均勻的，即存在溫度場(chǎng)隨時(shí)間不同和空間變化而異。

1.3 襯砌渠道基土凍脹的基本特征

1.3.1 凍脹的不均勻性。沿渠道縱向，因?yàn)榍€較長(zhǎng)，渠道走向變化及水、土條件不同，同一部位不同渠段的凍脹量不同；同一橫斷面，由于接受陽(yáng)光照射不同，陰坡、陽(yáng)坡及渠底凍脹量不同，同時(shí)坡上部和坡下部?jī)雒浟恳膊煌?/p>

1.3.2 水分具有重要作用。渠道滲漏水是基土水分的主要來(lái)源，且入滲水使下部含水量高于上部，特別是渠道通過(guò)高地下水位區(qū)時(shí)，渠底及坡下部水分遷移強(qiáng)烈，凍脹增強(qiáng)。

1.3.3 凍脹破壞逐年加劇。渠道基土經(jīng)過(guò)凍結(jié)和融化之后，空隙率增大，透水性增強(qiáng)，再行凍結(jié)時(shí)水分更易流向凍結(jié)層，進(jìn)一步增加了水分遷移和凍脹作用，使得襯砌渠道凍脹破壞逐年加劇。

1.3.4 渠道襯砌體一般自重很輕，不足以抵抗基土凍脹力。對(duì)于有約束力的襯砌體，產(chǎn)生局部開(kāi)裂；對(duì)于無(wú)約束力的襯砌體，在凍脹力作用下整體上抬，當(dāng)產(chǎn)生不能允許的變形時(shí)，無(wú)法復(fù)位而產(chǎn)生滑塌現(xiàn)象。

1.3.5 對(duì)于冬季行水的渠道，其冰蓋對(duì)水面以上附近的襯砌體產(chǎn)生拉推力，加劇了凍脹破壞程度。

2 渠道凍脹破壞的原因分析

通過(guò)國(guó)內(nèi)外一些渠道襯砌凍脹破壞調(diào)查與實(shí)際觀測(cè)分析，襯砌渠道基土凍脹破壞，主要與基土凍脹位移量大小及其不均勻程度、襯砌結(jié)構(gòu)受約束條件、襯砌結(jié)構(gòu)抵抗或適應(yīng)基土凍脹變形的能力等因素有關(guān)，而這些因素又主要與水、土、溫和力等因素有關(guān)。因此可將襯砌渠道產(chǎn)生凍脹破壞的影響因素歸納為以下幾點(diǎn)：

2.1 水的因素

土壤中的水分包括結(jié)合水和自由水，自由水又分為重力水和毛細(xì)水，產(chǎn)生凍脹的是自由水，而不是結(jié)合水。土壤的含水量是研究?jī)鐾羶?nèi)在規(guī)律的重要指標(biāo)，凍土中水分是最活躍的因素，它隨深度的不同和季節(jié)的變化而不斷的改變。從物理學(xué)中可知，液態(tài)純水在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下溫度達(dá)到0℃時(shí)便會(huì)凍結(jié)成固態(tài)的冰，體積增大9%左右，密度減小8.3%。土中的原駐水的含水量不大時(shí)，土中水結(jié)成冰體積增大，只是降低孔隙率；只有當(dāng)含水量超過(guò)一定界限時(shí)，產(chǎn)生土體膨脹，土凍結(jié)才能引起地表隆起，這個(gè)含水量叫做起始凍脹含水量。

2.2 土質(zhì)因素

土壤有凍脹性土和非凍脹性土之分，一般情況下常土中粒徑小于0.05mm的土粒含量大于總土重的6%稱(chēng)為凍脹土(如粉砂、壤土、粘土)；反之，當(dāng)土中粒徑小于0.05mm的土粒含量小于等于總土重的6%稱(chēng)為非凍脹土(如粗砂、中砂、礫砂)。土的凍脹性與土的礦物成分、粒徑大小、干容重、滲透系數(shù)、交換陽(yáng)離子及含鹽量等諸因素有關(guān)。

2.3 溫度因素

負(fù)氣溫對(duì)凍脹的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：第一，土的凍深。在其他條件相同的情況下，凍深大的凍脹量也大，凍深小的凍脹量也??；第二，凍結(jié)速度。氣溫劇降，凍結(jié)速度快，凍脹量則小，氣溫緩降，凍結(jié)速度慢，凍脹量則大。

2.4 渠道受力條件

凍土層頂部的膨脹變形如果受到限制，就會(huì)產(chǎn)生巨大的壓力，稱(chēng)為凍脹力。凍脹力的大小受土的分散性、礦物成分、密度、土體水分條件、凍結(jié)條件的影響，且與基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、剛度、材料、表面狀況、荷載等工程條件以及未凍土層的壓縮性有關(guān)。凍脹力方向與冰晶增長(zhǎng)方向相同，垂直于凍結(jié)面。習(xí)慣上，把沿基礎(chǔ)側(cè)面作用的凍脹力稱(chēng)作切向凍脹力；把沿基礎(chǔ)表面(包括底面和側(cè)面)法線方向作用的凍脹力稱(chēng)作法向凍脹力。土層在切向凍脹力的作用下極易失穩(wěn)，失穩(wěn)的結(jié)果便導(dǎo)致邊坡襯砌板產(chǎn)生隆起架空和坍塌破壞。

3 渠道凍脹破壞的防治措施

綜上所述，渠道的凍脹破壞主要與四個(gè)基本因素密切相關(guān)，即水分因素、土質(zhì)因素、氣溫因素、渠道受力條件等。改善其中一個(gè)因素，便可收到防治凍脹的效果。由于渠道襯砌厚度較薄，重量較輕，采取抵抗性措施是不經(jīng)濟(jì)的，因此必須從以下三方面因地制宜地選用經(jīng)濟(jì)合理的一種或多種措施。

3.1 適應(yīng)凍脹

即主要是應(yīng)用渠道建筑材料、斷面結(jié)構(gòu)和襯砌分縫來(lái)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、矩形斷面擋土墻式等型式。對(duì)于剛性材料襯砌渠道，調(diào)整襯砌板縱橫縫的距離、伸縮縫、收縮縫的縫形、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。

3.2 回避凍脹

即在渠道襯砌工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，注意避開(kāi)出現(xiàn)較大凍脹量的自然條件，或者在凍土區(qū)注意避開(kāi)凍脹對(duì)渠道襯砌工程的作用。在選擇渠線時(shí)，選擇透水性較強(qiáng)、地下水埋深大、地形較高的地帶，盡可能避開(kāi)粘土、粉質(zhì)土、淤土、沼澤和高水位地段，并盡可能采用填方渠道。在工程措施設(shè)計(jì)時(shí)選擇管道、暗涵和采用樁、墩基礎(chǔ)和架空等結(jié)構(gòu)，盡量避開(kāi)和減少與凍脹土接觸的凍脹影響。

3.3 削減凍脹

即當(dāng)渠道產(chǎn)生的最大凍脹變形量較大，且由于地形、地質(zhì)及渠線布置等原因不能有效回避凍脹的條件下，可采用適當(dāng)?shù)姆椒?，將渠床基土的最大凍脹量削減到襯砌結(jié)構(gòu)允許變位范圍之內(nèi)，以減小凍脹對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的破壞作用。削減凍脹可分為置換砂礫墊層、隔熱保溫、壓實(shí)干密度、防滲排水等幾項(xiàng)措施。

4 具體防治方案

下面列舉一些通過(guò)處理渠基土來(lái)防治凍脹的具體方案。

4.1 置換墊層方案

土體的凍脹與其顆粒組成密切相關(guān)，而土顆粒的大小，決定其比表面積大小及與水作用能量的高低，這種差異，決定土體凍脹特性的不同。置換墊層的方案便是利用該原理，在凍結(jié)深度內(nèi)將襯砌板下的凍脹土換成非凍脹性材料，從根本上消除或削減了基土產(chǎn)生凍脹破壞的可能性。該措施可適用各種凍脹強(qiáng)度地區(qū)的凍脹防治。

4.2 隔熱保溫方案

其原理是將隔熱保溫材料鋪設(shè)在襯砌體下部，通過(guò)隔絕外界氣溫，保證基土不受負(fù)溫的影響，以達(dá)到削減凍深和凍脹，并相應(yīng)減小置換深度，割斷下層土的水分補(bǔ)給。這種保溫材料不同于一般的保溫材料，因?yàn)樗幱跇O其潮濕的環(huán)境中，甚至是在冰或水中，所以不僅要求保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)很低，而且吸濕性要非常小(最好等于零)；其次還要求保溫材料要有一定的柔性和彈性，因?yàn)檫@種性能不僅便于施工，更重要的是保溫層下的含水基土有可能會(huì)因?yàn)槟承┮馔庠蚨l(fā)生—定程度的凍結(jié)，從而產(chǎn)生一定的凍脹量，具有一定柔性和彈性的保溫層則能吸收這部分凍脹量和凍脹力，而不至于影響到剛性面層。

目前采用的保溫材料有爐渣、泡沫水泥、珍珠巖、玻璃纖維、聚苯乙烯泡沫板等。

4.3 壓實(shí)干密度方案

其原理就是用壓實(shí)和強(qiáng)夯的方法來(lái)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，以阻礙水分遷移，從而削減凍脹能力，達(dá)到防止凍害的目的。

該法就地取材，成本低，適宜于渠底和填方部分。

4.4 做好接縫止水，修筑截水、排水系統(tǒng)方案

切斷基土水的來(lái)源是治理凍脹的根本措施之一，為適應(yīng)溫度變化及不均勻沉陷，混凝土襯砌渠道需設(shè)置伸縮沉陷縫。漿砌石襯砌渠道一般不設(shè)，有時(shí)考慮到水文、地質(zhì)條件或其它因素才設(shè)置。

4.5 草皮護(hù)面、渠旁植柳方案

可以選用滋生力強(qiáng)、根株密結(jié)的草類(lèi)作防滲護(hù)面材料。

渠旁植柳是根據(jù)柳樹(shù)根系發(fā)達(dá)，能在渠道混凝土板底下形成須根網(wǎng)狀盤(pán)結(jié)，并使布滿(mǎn)須根的基土成為一種非凍脹性纖維土，起到了替換一定厚度凍脹性土的作用。

4.6 防滲材料隔離方案

即以防滲材料作為隔離層，防止渠水滲漏，降低渠床基土含水量，同時(shí)也可減少地下水補(bǔ)給量，降低地下水位，從而防止或削弱凍脹破壞。同時(shí)在一定程度上可提高地溫，降低凍土層中溫度梯度造成的滲透壓力，提高防凍脹的能力。防滲材料主要有以下幾種：

4.6.1 土料防滲

土料防滲是指用壓實(shí)素土、粘砂混合土、灰土、三合土、四合土等土料進(jìn)行防滲。適用于氣候溫暖地區(qū)的中、小型渠道。防滲效果為(0.07～0.17)m3/(m2d)，使用年限為5～25年。

4.6.2 水泥土防滲

水泥土防滲有壓實(shí)干硬性水泥土防滲和澆筑塑性水泥土防滲兩種方法，適用于氣候溫暖地區(qū)，且附近有壤土和砂壤土的渠道。防滲效果為(0.06～0.17)m3/m2d，使用年限8～30年。

4.6.3 膜料防滲

膜料防滲是用塑料薄膜或?yàn)r青玻璃纖維布油氈或復(fù)合類(lèi)膜料做防滲層，其上設(shè)保護(hù)層的防滲方法。膜料防滲性能好，適應(yīng)變形能力強(qiáng)，南北方均可采用，特別是北方凍脹變形較大的地區(qū)效果理想。

4.6.4 混凝土防滲

混凝土襯砌渠道具有防滲抗沖效果好，輸水能力大，經(jīng)久耐用，便于管理等特點(diǎn)，因而適用于各種地形、氣候和運(yùn)行條件的大、中、小型渠道。

4.6.5 瀝青混凝土防滲

瀝青混凝土襯砌屬于柔性結(jié)構(gòu)，其防滲能力強(qiáng)，適應(yīng)變形性好，造價(jià)與混凝土相近，適用于凍害地區(qū)，且附近有瀝青料源的渠道。

4.7 化學(xué)處理方案

采用化學(xué)材料對(duì)渠床進(jìn)行處理，使渠床中土壤水分冰點(diǎn)降低或增加土層的不透水性，阻止水分遷移，從而削減凍脹。

5 結(jié)語(yǔ)

由于渠道凍脹受到多種因素的作用，而這些因素隨不同地區(qū)變化極大，因而不可能有一個(gè)適用各種條件的最佳方案，而應(yīng)根據(jù)渠道的氣象、土壤、水文地質(zhì)等不同自然條件選擇防凍脹方案，做到在保證工程安全的前提下，費(fèi)用最省，國(guó)家投資最小。即使對(duì)同一渠道工程，由于沿線條件變化很大，也應(yīng)對(duì)渠道劃分段落，分別確定其防凍脹方案。

國(guó)內(nèi)多數(shù)工程的實(shí)踐證明，采取單一措施一般都難以達(dá)到防治襯砌工程凍害的目的，要針對(duì)產(chǎn)生凍脹的因素，采取有主有次的綜合措施。不但要重視規(guī)劃布置、渠道設(shè)計(jì)、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、防治凍害預(yù)案，才能達(dá)到滿(mǎn)意的防凍效果。

〔1〕朱 強(qiáng).襯砌渠道防凍脹設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題.水利水電技術(shù).1990，(9)：22～27.

〔2〕李安國(guó).渠道防滲工程技術(shù).中國(guó)農(nóng)村水利水電，1997，(5)：48～51.