北方灌渠防凍機理及其技術分析范文

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寒冷地區是我國重要的糧食產區，僅黑龍江省列入續建改造的大型灌區就有20處，設計總面積55.674萬hm2，總投資56.41億。然而寒冷地區許多灌區在續建改造過程中，面臨著渠道襯砌凍脹破壞嚴重和滲漏損失嚴重等問題，經濟實用的渠道防凍脹工程技術，是確保我國大中型灌區續建改造工程的順利完成和確保國家新增千億斤糧食生產能力的重要保障。

1寒冷地區渠道襯砌凍脹機理

寒冷地區渠道襯砌發生凍脹破壞的主要原因是基土凍脹，溫度、基土含水量和基土土質是引起基土凍脹的三大要素。一般而言，基土中小于0.05mm的土粒大于總土重6%的土稱為凍脹性土。當地氣溫降到結冰點以下時，渠道襯砌和基土層接觸面間孔隙中的水分凍結產生冰晶體，冰晶體逐漸發展形成初始凍結面；氣溫繼續降低，在基土層孔隙中的水分也凍結形成冰晶體，在毛細力作用下，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，從而形成凍土層。隨著冬季氣溫的持續降低，基土層下部未凍結區的水分在毛細力作用下持續向上部凍結區遷移，水分的上移不僅使凍結深度加大，而且使得凍結區內含水量激增，導致基土凍結膨脹加劇。當基土凍脹力超過其上部覆蓋的渠道襯砌的結構強度時，渠道襯砌被頂裂或頂起，發生凍脹破壞。

2渠道襯砌防凍脹工程技術

國外發達國家，近年來多采用“抵抗”凍脹的技術措施，用鋼筋混凝土取代素混凝土，并結合砂礫料換填層、加固基礎、增設排水等措施，如日本現在多采用鋼筋混凝土矩形渠槽加換填材料方式，美國、俄羅斯，則多采用混凝土或鋼筋混凝土大型平板形式。這些措施抗凍脹效果好，但工程造價高，不適合我國國情。

針對寒冷地區渠道凍脹破壞，我國經過30多年的研究及實踐，制定了SL23—2006《渠系工程抗凍脹設計規范》，提出“允許一定凍脹位移”的工程設計標準和“回避、適應、削減或消除凍脹”的防凍脹原則，并根據寒冷地區渠道襯砌凍脹機理，從改進渠道斷面形式、基土層保溫、防水和換填等方面，提出了一系列經濟實用的工程技術措施，開展了大量研究和實踐工作，取得了豐碩的成果。

2.1渠道襯砌防凍脹自適應斷面

渠道襯砌抗凍脹能力與斷面形式有很大關系。我國現有渠道大都為梯形或矩形斷面，常在坡底位置處設置伸縮縫。根據觀測資料，基土凍脹向上變形時，渠底襯砌受到兩端坡底砌塊約束，實為支承于兩端坡底的簡支板向上發生彎曲變形，襯砌內部出現的是拉應力，由于混凝土的抗拉強度很低，在較小的拉應力作用下就會出現開裂，因此凍脹時渠底襯砌往往在中部出現縱向彎折裂縫。

同樣，渠道邊坡也經常出現縱向裂縫，由于受地下水位的影響，渠道邊坡裂縫部位多在中下部，距邊坡底部1/4~1/3坡長處。將梯形或矩形斷面形式，根據實際輸水規模相應的改進為弧形斷面（圖1）、弧形坡腳（圖2）或U型渠道（圖3）等凍漲自適應斷面。改進斷面一方面利用弧形坡腳或弧形渠底，改善現有渠道坡腳應力集中的受力特點。同時這樣的渠道在受來自基土的凍脹力時，由簡支結構變為反拱結構，襯砌內部應力由拉應力變為壓應力。由于混凝土的抗壓強度遠高于抗拉強度，因此，改進后的斷面形式可以有效地適應基土凍脹，不易產生大的貫穿裂縫。相關研究表明[1]，采用弧形斷面或弧形坡腳時，沿渠軸線方向和沿渠坡方向每隔3～4m，需設凍脹變形縫。U型渠襯砌圓弧直徑應小于2.0m，圓弧上部直線段應采用小于l∶0.2的斜坡。

2.2基土層保溫

基土凍脹的一個主要原因是低溫。在渠道襯砌和基土層之間鋪設爐渣、泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板、膨脹珍珠巖保溫層制品等保溫隔熱材料，利用其導熱系數低的性能，緩解渠基土周圍熱量的輸入輸出及轉化過程，從而減緩基土層內部水熱耦合作用，進而人為的降低凍土層的深度和凍脹程度，有效的消減基土凍脹，起到相對提高渠道襯砌防凍脹性能的作用。相關研究表明[2]，10cm厚的聚苯乙烯泡沫板，可起到100cm厚砂層的保溫效果。

2.3基土層防水

當基土層中的含水量大于基土起始凍脹含水量時，將出現較明顯的凍脹現象。防止渠道滲水和地下水對凍土層的水分補給，并及時排除滲水和地下水，降低基土層含水量，是有效削減凍脹的根本措施之一。對于襯砌渠道，縱向施工縫和橫向溫度縫是渠道滲水的主要部位。為減小滲水，在滿足溫度及施工要求的條件下，不論預制裝配還是現場澆筑均應盡量減少縫的數量。相關研究表明[3]，為增加防滲效果，可在施工預留縫下鋪設不小于1m寬度的防滲塑膜。砌塊間接縫處理要保證質量，縫內砂漿飽滿，表面抹壓平實。采用復合防滲襯砌結構時，砌塊下的塑膜應沿渠道全斷面鋪設，并用折迭方法拼接加長。

2.4基土層換填

基土層換填是防治凍害的重要措施之一。一般地基土屬于Ⅲ級及以下凍脹性土時，可根據當地實際料場情況，采用風積砂、砂礫石等弱凍脹性土，置換渠基凍結深度內部成分或全部原有土層。由于風積砂等弱凍脹性土在凍結過程中，土壤水分向與凍結面相反方向轉移，水分的減少將有效的削減凍土層深度和凍脹程度。為了保證滲透穩定，換填材料與下墊面原狀土之間，需設置反濾層或用非織造土工織物隔離，同時換填層需設置排水設施。換填深度可根據地下水位的高低、基土的性質、凍深的分布狀況和襯砌結構的允許變位值、按SL18—2004《渠道防滲工程技術規范》確定。相關研究表明[4]，風積砂換填層的防凍脹效果隨換填厚度的增加而增加，換填率70%左右較優，實測換填層內凍脹率在3%以下，防凍脹效果在90%以上。

3結語

寒冷地區渠道襯砌的凍脹破壞，是渠道自身和外界環境共同作用的結果，與襯砌體結構、材料、渠基土質、含水量、溫度及渠道走向等因素密切相關。從渠道斷面形式、基土層保溫、防水和換填4個方面，提出了一系列經濟實用的工程技術措施，結果表明：

1）弧形襯砌渠道受基土凍脹力時，襯砌內部將產生壓應力，而非拉應力，由于混凝土的抗壓強度遠高于抗拉強度，因此弧形襯砌可以有效地自適應基土凍脹。

2）在渠道襯砌和基土層之間鋪設保溫隔熱材料，可以適當的阻止基土溫度的降低，起到消減基土凍脹的作用。

3）在襯砌預留溫度縫下或全斷面鋪設防滲塑膜，可以有效防止渠道滲水對凍土層的水分補給，進而有效地消減凍脹。

）基土層換填風積砂等弱凍脹性土后，凍結過程中土壤水分向與凍結面相反方向轉移，水分的減少將有效的削減凍土層深度和凍脹程度。