对渠道冻胀破坏的产生的原因分析及如何处理

对渠道冻胀破坏的产生的原因分析及如何处理

摘 要：本文通过对某案例进行大量的技术数据分析，指出了渠道冻胀破坏的原因，并采取了相应的防治措施，保障了灌区渠道运行的安全性，减少了水的渗漏损失，提高水的利用率。 关键词：渠道；冻胀；措施；

中图分类号： tv732.6 文献标识码： a 文章编号： 一、工程概况

某灌区始建于上世纪 70 年代初期，建成大中型泵站 38 座，小型泵站 102 座，装机容量 63567kw。总干渠 1 条，干渠 5 条，总长度 178.85km。设计流量 12m3/s, 加大流量14.40m3/s，总扬程 529m，设计灌溉面积 2.03 万hm2。 灌区之间，气候干燥、降水少、蒸发量大、昼夜温差大、日照时间长、无霜期较短，属于典型的干旱、半干旱大陆性气候。据气象站多年观测资料统计表明：灌区年平均气温 8.8℃，年平均最高气温 37.4℃，年平均最低气温-27.4℃。年平均风速为 1.2m/s，最大风速 22m/s。最大冻土深度 1.1m，地表冻结期每年约 5 个月。 二、现状及破坏情况

1、湿陷性黄土渠基是产生冻胀破坏的重要因素

灌区渠道位于湿陷性黄土高原区，该区黄土主要由颗粒组成，颜色呈棕黄、灰黄或褐黄，具有大孔隙和垂直节理特征。渠基在一定渗水压力下产生湿陷而冻胀。工程自 1971 年运行以来，因湿陷

冻胀破坏设施引起的工程事故比较多，平均年直接经济损失为 60万元。渠道因冻胀造成的衬砌面的变形、裂缝乃至渠道滑坡，降低了防渗作用，严重影响了渠道运行的安全性、水的利用率及工程的效益。

2、灌区渠道冻胀破坏的现状

1）、总干渠冻胀破坏情况。 经过多年对总干 57.2km渠道进行观测及试验发现，工程完好的为 36.6km，有明显裂缝的为6.5km，渠道下部隆起的有7.6km，滑坡6.5km。

2）、干渠冻胀破坏情况。经过多年对灌区白塬、 三场塬、 关川三条干渠总长 106.33km 渠道进行观测发现，遭受破坏为76.77km，占渠道全长的 72.2%。 三、 灌区渠道冻胀的特点和规律

1、不同的渠道断面形式冻胀变形的程度不同

对梯形断面渠道的冻胀数据分析发现：梯形渠道在两旁坡脚底以及坡面上部冻胀量比较小，而渠底的中位和坡面的下部冻胀量较大，坡面靠近坡脚处冻胀量最大。一般在坡面底部第一层预制块被推移跌叠，造成与第二层预制块的灰缝脱落，被冻结的基土消融后从灰缝中流出。 渠底部分中间预制块隆起，混凝土的抗剪强度不足使灰缝部位推移错位。 因此，我们将渠道断面形式由梯形渠底改为弧形渠底，观测后弧形断面冻胀变形均匀，坡面变形程度为梯水利建设形渠的 1/4，灰缝的变形是原来的1/5，渠底基本没有变形。

2、不同的防渗衬砌形式冻胀破坏程度不同

1）、砂砾垫层厚度与冻胀数据分析。在整个冻融期内混凝土块衬砌的混凝土面及基土的分层冻胀、 融化变形、 土壤水分、 冻结深度、 衬砌表面的温度等数据，分析研究表明：当垫层厚度为阳坡 20cm～40cm、 阴坡 30cm～60cm 之间，每增加 15cm，冻胀就减少 1cm。当阳坡衬砌面垫层厚度为 30cm～60cm、 阴坡 40cm～80cm, 砂砾石垫层每增加 15cm，冻胀减小 0.5cm。另外，混凝土块衬砌比现浇的渠道土壤中含水量高，冻胀量大，恢复较快。 2）、采用不同的防渗抗冻衬砌结构应用实例。在灌区干渠段选择了2600m渠道共有6种不同类型分8个断面进行比较，实践证明，深挖方地段砂砾垫层具有较好的防冻胀效果，但其抗渗性能比较差，不宜在高填方渠道使用。而用砂砾垫层，再增设防渗材料，效果较好。近年来，我们采用在深挖方地段采用砂砾垫层削减冻胀，再铺设塑料布或复合土工膜，用 m10 砂浆衬砌混凝土块的渠道，防渗和防冻效果显著；在高填方区采用了原土翻夯50cm，再铺设塑料布或复合土工膜，用 2cm～4cm 砂浆垫层衬砌混凝土块的渠道运行近 4 年，没有明显的冻胀变形。 四、原因分析

1、冻融循环形成冻胀破坏

纯净水的冰点为 0℃，而地基中水由于土壤含有盐等矿物质的影响水在-3℃冻结。土壤冻结时体积约增大 9%，因而会产生冻胀。灌区每年冬灌结束在11月下旬，一般平均气温在 -5℃～-7℃之间，

当渠道排空时，土壤中所含的大量水分自然地从高压区流向低压区。 所以，渠道基土中的水分逐渐向渠道内渗透。 但是由于温度低，混凝土表面结冰，形成了一个封闭层使土壤中的水分无法正常排出。 从而冰冻层每天以 2.5cm～4.5cm的速度向土壤深层渗漏。每年的 1 月份，冰冻层可达30cm～65cm。 2月份上旬，气温最低，冻胀层比较稳定，厚度约为 78cm～110cm。因为土壤在冻结时，水分向冻结面运动，在土壤中形成了含水量较低的区域相对冻胀量占总冻胀量的10%。 从2 月中旬开始，气温开始回升，开始融化。 此时因冻胀混凝土受到拉力，当混凝土的抗拉能力小于冻胀力时，灰缝被拉裂脱落。在冰融时，水分随裂缝向外渗透。基土中下层还未解冻，不能吸收多余水分，导致大量水分集中在土壤深度为40cm 之上的区域，这样基土在这个区域内抗剪强度很低，基土形成滑坡面。在水、 泥、 混凝土块的自重作用下，从滑动面向下滑，导致混凝土衬砌面被破坏。

2、渠道的冻胀破坏主要因素

从灌区渠道试验结果中分析得出渠基冻胀破坏与以下四种因素有关。一是土壤颗粒的大小以及颗粒间级配。灌区的土壤性质为粘土、 亚粘土、 沙土，均属于冻胀类型。 因颗粒大小不同，吸收水分的能力不同，吸水能力与冻胀能力成正比。 颗粒间级配与冻胀力成反比。 二是土壤的含水量。土壤的含水量越高，冰冻体积就越大，冰冻的破坏力越强。从观测结果中得出当土壤含水量大于 12%～17%时，冻胀破坏尤为突出。三是气温因素。气温对冻胀的影

响也很大，由于冬灌结束时气温很低，土壤中的水分不能及时下渗，全部冻结成冰。四是基土所受的负荷。基土所受的负荷越大，向外排水的能力就越大，冻胀破坏也就明显。 五、防治措施

1、采用现浇混凝土防渗抗冻渠道现浇混凝土渠道自重大、刚度强、结构性能好、抗渗能力强，从而降低基土的含水量，有效地防止了冻胀的破坏。但是容易在应力集中的部位产生裂缝、维修难度大、维修养护费用高。这种方式适用于高填方、 地基稳定地段。 2、采用浆砌石防渗抗冻渠道灌区的冻胀破坏区主要集中在表层下40cm 的范围，而砌石厚度一般在30cm～40cm。这种防渗抗冻衬砌方式具有工程整体性较好、 抗冻能力强的特点。在工程运行中使用寿命较长。

3、采用弧形渠道断面结构形式 梯形段面的渠道由于存在 折角而受力不均匀，易在渠道中部、 坡脚 30cm 处发生冻胀，渠道底部隆起。 采用弧形断面的渠道，由于拱形的作用可以有效地防治冻胀，而且弧形渠道的受力比较均匀，过水断面水力条件好，适应黄土地区灌区渠道改造。 4、选用适当的防渗抗冻措施

1）、渠道基础夯实防渗抗冻。基土翻夯 50cm 处理，使夯实土方干容重 1.5t/m3以上，有效地增强基土的粘聚力，降低持水度，上铺防渗膜，提高抗渗性，减少基土的含水量。

2）、防渗抗冻材料的特点。油毡或者玻璃丝布具有良好的防渗

效果，但是幅宽太小，施工不方便，容易老化；聚乙烯薄膜使用方便，防渗效果好，使用寿命长，但是表面光滑，糙率小，衬砌不方便；复合土工膜使用方便，防渗效果佳，是防渗抗冻的最佳选择材料。

3）、选用适当的防渗衬砌技术措施。 近年来，随着科学技术的 发展，我们逐步改变了渠道防渗抗冻技术措施，主要采用渠道断面结构形式由梯形改为弧形断面，复合土工膜作为防渗体，m10砂浆衬砌混凝土块，取得了良好的防渗抗冻效果。

4）、换基处理。 在深挖方地段和回归水较多的地段，应在复合土工膜下用厚度 30cm 砂砾石做换基处理，增强材料抗冻性。 5、加强工程管理，减少渠道冻胀破坏 在渠道工程建设管理中，要保证工程质量，确保防渗层的整体性。混凝土块之间的勾缝要密实，沥青砂浆伸缩缝处理达到设计要求。 在渠道工程运行期间要勤检查，发现有裂缝或者空洞要及时修复，采取相应的技术措施进行处理。 在灌溉管理中，冬季灌溉期间，合理调度，提早结束冬灌，有效避免冻胀破坏。

注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。