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。工程設計流量1.75 m3/s，加大流量1.90 m3/s[1]。

工程區(qū)冬季嚴寒，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℃。最早結冰時間一般為每年的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、融化，導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、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，嚴重影響渠道及其建筑物結構穩(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計和工程運行維護中的重要課題[2-6]。

2 渠道及其建筑物的凍融破壞特點

2.1 地基土的鼓脹

工程區(qū)進入封凍期后，地基土中相對較深部位水分在毛細力作用下向淺表層的低溫土體運移，以冰粒填充土中孔隙，孔隙中冰粒體積的不斷增大，導致地基土的鼓脹，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，因周圍未凍結區(qū)土中的水分在毛細力的作用下會向凍結的冰體遷移聚集，使凍結區(qū)的冰凍體不斷增大，由于渠道及其建筑物的結構限制冰體的增大而產(chǎn)生應力，應力作用隨著冰體體積的不斷增大而增大。應力在不斷增大的過程中，工程結構抗力和變形不斷增加和積累，達到工程結構設計彎矩、剪切和變形破壞應力值時，導致渠道及建筑物結構出現(xiàn)開裂、傾斜、位移、局部隆起或沉陷、甚至倒塌，應力得到釋放。

2.4 融陷破壞

工程區(qū)進入融冰期后，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，加之工程結構和細顆粒土排水能力差，土層處于飽和狀態(tài)，結構基礎承載力下降，結構區(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)域因為冰體融化速度快，冰體產(chǎn)生的應力很快得到釋放，部分區(qū)域因為吸收陽光的能量少，冰體融化速度慢，引力釋放慢，在結構上出現(xiàn)不均勻應力，甚至在局部出現(xiàn)應力集中，引起道襯砌體及建筑物發(fā)生不均勻沉陷，結構開裂、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；年復一年，形成結冰—融化—結冰—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)進入融冰期后，中午融冰，晚上結冰，融冰—結冰—融冰—結冰……日復一日，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 切斷毛細供水通道

切斷地基土與渠道襯砌和建筑物基礎間的供水通道是防治渠系建筑物凍脹破壞的措施之一。砂礫石層因為沒有或具有很少量的結合水，毛細上升高度?。ㄒ话阈?5 cm），在渠道襯砌和建筑物基礎間鋪設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間的供水通道。在工程實踐中，采用砂礫石層換填一定厚度地基土來切斷毛細供水通道，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區(qū)附近存在地下水且地下水位較高，毛細水上升高度能夠達到當?shù)貎鐾翆樱够A凍土層能得到外部水源的補給時會發(fā)生強烈的凍脹現(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到飽和，地基土中的水由于沒有在封凍前及時排泄，為凍脹破壞提供了較豐富的水源。因此，在工程建設與運行維護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。工程實踐中一是改設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 渠道的運行管理

大砂溝灌區(qū)每年冬季灌溉結束一般在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，在冬季灌溉結束至封凍這段時間內(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、補給，并在凍結冰體上聚集，使凍結冰體的體積不斷增大，產(chǎn)生凍脹破壞現(xiàn)象。

在工程運行維護過程中及時加強渠堤孔洞、雨淋溝、沉陷坑、裂縫等的處理，利用停水間歇期，及時檢查渠道襯砌混凝土、伸縮縫、工作縫是否存在漏水，及時處理側墻底板裂縫，修復伸縮縫止水，處理工作縫滲漏問題。加強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，達到降低渠系建筑物周邊土體的含水量，降低凍脹破壞的風險。

4 結語

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，提出了在工程設計、施工及渠道及其建筑物的運行維護過程中，根據(jù)工程實際和特點，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)定和安全運行，確保了工程的耐久性和工程壽命。