【摘要】目前我国北方寒区混凝土防渗渠道普遍存在不同程度的冻胀破坏，本文通过对混凝土渠道冻胀破坏的形式、现状和危害进行阐述，找出了导致冻胀破坏的原因和影响因素，提出了几种有效解决冻胀破坏的防治措施，对混凝土衬砌渠道冻胀的防治起到了参考作用。

【关键词】混凝土 渠道 冻胀破坏 防冻 措施

1.引言

提高水的利用效率是节水农业的核心，提高水的利用效率主要包括提高渠系水利用系数、田间水利用系数和利用效率（单方水作物产能）这三方面。我国目前农田灌溉的主要输水方式是渠道输水。目前，我国渠系水利用系数仅为0.3～0.4，远低于发达国家的0.7～0.8。冻胀破坏导致混凝土渠道的渗漏是寒区农田灌溉用水损失的最主要方面。在寒区如果采取有效防冻胀措施，将我国渠系水利用系数提高到发达国家水平，则将极大提高我国农业用水利用率，同时能够有效节约大量水资源。

2 .寒区混凝土主要渠道冻胀破坏形式

冻胀作用对混凝土渠道破坏主要表现在使混凝土衬砌板产生裂缝和横断面变形。

2.1混凝土衬砌板裂缝

混凝土衬砌板在低温条件下收缩产生裂缝或混凝土内部水分在冻结成冰的时候体积膨胀导致渠道产生裂缝，或二者相互作用产生贯穿裂缝，使渠道中水流下滲严重，极大影响了混凝土渠道输水效果。

2.2横断面变形

横断面变形主要由于渠床土的冻胀变位影响和冻胀力的作用所致，使一部分混凝土边坡和个别渠底产生隆起上鼓变形，而当气温回升渠床冻土融沉后，隆起上鼓的混凝土板很难依靠自重恢复原位，导致混凝土渠道架空或者滑塌，最终形成了渠道横断面的破坏和永久性变形，影响水流正常流动甚至无法正常输水。

3.冻胀破坏原因及影响因素

3.1混凝土渠道冻融破坏原因

3.1.1混凝土本身的冻融破坏

首先由于渠道材料混凝土本身的特性决定的。混凝土本身主要是受压构件，受拉强度远低于受压强度。混凝土在冻融过程中自身主要受到了三种不同的破坏作用。

其一是混凝土面板在施工期水泥在水化过程产生大量的热，在凝固过程中温度会降低发生热胀冷缩；在混凝土渠道运营时遇到温度降低时也会因为热胀冷缩所作用发生收缩。当收缩应力大于混凝土面板的受拉极限时就会产生裂缝。

其二是混凝土在凝固过程中水分蒸发形成孔隙，而内部孔隙的水分在温度低于其冰点时就会发生物理状态的变化，由液态水变成了固态的冰，而在此过程中水的体积发生膨胀，对约束其的孔隙壁产生压力，而混凝土内部产生拉应力。

其三是由于表面张力的作用，混凝土内部的毛细孔隙中水的冰点随着孔隙的孔径减小而降低。因而由冰与过冷水的饱和蒸汽压差和过冷水之间的盐分浓度差引起水分迁移而形成渗透压。当混凝土受冻时，这两种压力会损伤混凝土内部微观结构，当经过反复多次的冻融循环以后，损伤逐步积累不断扩大。

在混凝土渠道的整个冻胀破坏过程中，三者相互作用相互促进，最终使其发展成互相连通的裂缝，使混凝土板的强度逐步降低，最后甚至完全丧失。

3.1.2 混凝土渠道冻胀破坏外界因素

在寒冷地区，当温度低于0℃时，混凝土渠道及渠基土体中上部水分首先冻结成冰，水冻结成冰本身体积增大9%，并且冻结层下部的水在冻结过程中不断向上迁移补给冻层的水分，使渠基体积不断增大，对渠道产生很大的作用力。使渠道下部受拉，上部受压，最终导致渠道向上鼓起，严重时在上部产生裂缝。

当温度升高时，冻冰融化，冰融化成水的过程中体积减小，造成土结构的破坏和强度的急剧减弱。土体在自身重力和渠道重力作用下产生下沉，减小了渠基对渠道的支撑作用，渠道在自身及输水的重力作用下导致渠道下部受拉，下部产生裂缝甚至发生断裂。

混凝土渠道在内外两种因素影响下混凝土产生拉应力，当拉应力大于混凝土本身的容许拉应力时混凝土就会产生裂缝，对渠道造成破坏。

3.2混凝土渠道破坏的影响因素

根据以上对混凝土渠道冻胀破坏机理分析可知其破坏受混凝土本身及外部条件两方面影响。

3.2.1 混凝土本身影响因素

混凝土破坏内因是由混凝土本身特性决定。混凝土结构是受压体，其受压强度远大于受拉强度，当混凝土受到拉应力大于其容许拉应力时容易产生裂缝。

一方面混凝土在施工期和温度降低时发生热胀冷缩，产生拉应力。另一方面混凝土结构内部拥有大量孔隙，其内部水分在结冰时体积膨胀，使混凝土内部产生拉应力。

3.2.2外部影响因素

混凝土渠道冻胀破坏除了混凝土本身特性外，还包括其他外部因素。

（1）水。水在冻结成冰之后体积膨胀，这是造成渠道冻胀破的基本因素。混凝土体内和土体的水分的多少、地下水位的高低及有无外来水分的补充都对冻胀将严重影响。

（2）低温。温度只有降低到一定程度的时候才造成不同位置的水分的冻结和混凝土的收缩。因此低温也是造成渠道冻胀破的基本因素，低温的程度及持续时间将影响着冻胀的深度。

（3）渠道的基土的特性。不同土壤由于其土壤成分、孔隙率及含水率不同，其冻胀特性也不相同。

（4）其他因素，如渠道的施工工艺、运营管理状况也在很大程度的影响着渠道的冻胀破坏。

4.冻胀破坏的防治措施

由以上针对混凝土渠道冻胀破坏的因素分析可知，其冻胀破坏是由于内部和外部多种因素综合作用的结果。因此，可以通过针对不同的影响因素采取不同措施降低其破坏性。

4.1改善混凝土性能

混凝土本身性能对渠道破坏有着较大影响，因此需要改善混凝土本身的性能。

在浇注混凝土过程中根据需要适当增加防渗和抗冻添加剂，采取先进的施工、养护等方法及增加混凝土厚度以增强混凝土抗冻性能和抗拉强度。

4.2减少混凝土体和渠床土体的水分

减少土体和混凝土体水分可以采用防渗水泥和铺设土工膜。

防渗水泥抗渗性高，干缩性小。一方面可以减少混凝土本身的水分，防止混凝土干缩裂缝，另一方面可以减少渠道输水向渠床土中渗透。

采用防渗的土工膜可以进一步减少输水向渠基土中渗透。

4.3减少渠床基土冻胀量

渠床土的冻胀量与土体本身性能、土壤含水量和温度有关。

减少渠床基土的冻胀量除了降低土体含水量，还可以以下措施：

①压实基土，减小土体孔隙率，降低土体透水性。

②对于冻胀性较大的基土，采用更换基土方法。

③采用苯板的导热系数较小，降低基土的冻胀量[1]。

4.4 采用适当的渠道断面

通过对渠道受力分析，不同断面的渠道受力情况不同[2]，U型断面渠道较梯形断面受力较好。混凝土衬砌体在冻胀力作用下将向上滑动，从而产生一定的冻胀位移量，使渠基土壤对U型混凝土渠道的有效冻胀力和有效冻结约束减小，衬砌体内力值减小，抗裂强度提高，达到混凝土渠道防冻胀破坏的目的。

合理设置伸缩缝和止水设施以及填充柔性材料。一方面可以减少渠道水分渗透到土体里，另一方面可以增加渠道对冻胀变形的适应能力。

5.结语

混凝土渠道是一项投资相对较大的输水形式，而冻胀破坏是其破坏的最主要原因。在渠道冻胀防治过程中只有结合工程实际情况，因地制宜采取与之对应的有效措施，从工程建设至运行管理各方面对渠道冻胀问题有效进行有效处理，才能有效提高渠道输水系数，真正做到节约用水。

[1]胡亮，余剑英，等，挤塑聚苯乙烯保温板在南水北调渠道工程中的应用研究[J]南水北调与水利科技，2009，（7）

[2]郑源，汤骅等，U型复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型研究[J]中国农村水利水电，2013年第11期，80-84

作者简介：荆瑞丽，女，汉族，1987年6月出生，籍贯：河南省鹤壁市。2012年7月毕业于华北水利水电大学，硕士研究生，水工结构工程专业。2012年7月参加工作，助理工程师。