陈东生

（兰州市大砂沟电力提灌工程管理处，甘肃兰州 730046）

1 工程概况

大砂沟工程地处甘肃省中部，兰州市西北部。1996年兰州市政府实施南北两山绿化工程，大砂沟绿化上水工程开始兴建，2002年基本竣工。工程共建成干渠3条，长48.06 km；支渠17条，长121.43 km；干支渠泵站20座，绿化泵站5座，总装机89台（套），容量2.33万kW；绿化工程管道长110 km，山顶蓄水池38座。工程设计流量1.75 m3/s，加大流量1.90 m3/s[1]。

工程区冬季严寒，春季温暖，夏季炎热，秋季凉爽，属季节性冻土地区。根据皋兰县气象站统计资料显示,年平均气温7℃，极限最高气温37℃，最低气温-23℃。最早结冰时间一般为每年的10月25日至11月5日，最早封冻在12月1日左右；最大冻土深度为101.2 cm；最早融冰始于2月中旬（农历“立春”后）。年平均降雨量278.1 mm，蒸发量1 622.6 mm，蒸发量是降雨量的近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，随着地基土的冻结、融化，导致渠道及其建筑物发生冻胀破坏现象。渠道及其建筑物随着其地基土冻结、融化出现开裂、倾斜、局部隆起或沉陷、甚至倒塌的冻胀破坏现象，严重影响渠道及其建筑物结构稳定和安全，造成渠道及其建筑物丧失部分或全部功能。因此，防止渠道及其建筑物的冻胀破坏成为工程设计和工程运行维护中的重要课题[2-6]。

2 渠道及其建筑物的冻融破坏特点

2.1 地基土的鼓胀

工程区进入封冻期后，地基土中相对较深部位水分在毛细力作用下向浅表层的低温土体运移，以冰粒填充土中孔隙，孔隙中冰粒体积的不断增大，导致地基土的鼓胀，最终在冰胀力的作用下顶起或破坏渠道衬砌和建筑物。

2.2 空隙间的冰胀

工程区进入封冻期后，会在地基土与建筑物接触面间、地基土与建筑物工作缝间空隙中形成冰粒，空隙中冰粒体积的不断增大，导致工作缝缝隙的增大。最终在冰胀力的作用下胀裂或破坏渠道衬砌和建筑物。

2.3 冻胀破坏

在冬季，随着气温的继续下降，地基土、地基土与建筑物接触面间、地基土与建筑物工作缝间空隙中形成的冰体，因周围未冻结区土中的水分在毛细力的作用下会向冻结的冰体迁移聚集，使冻结区的冰冻体不断增大，由于渠道及其建筑物的结构限制冰体的增大而产生应力，应力作用随着冰体体积的不断增大而增大。应力在不断增大的过程中，工程结构抗力和变形不断增加和积累，达到工程结构设计弯矩、剪切和变形破坏应力值时，导致渠道及建筑物结构出现开裂、倾斜、位移、局部隆起或沉陷、甚至倒塌，应力得到释放。

2.4 融陷破坏

工程区进入融冰期后，鼓胀地基土中的冰体、建筑物工作缝中的冰体、建筑物与建筑物间的冰体融化，造成建筑物的不均匀沉陷，导致渠道衬砌和建筑物的局部破坏。具体表现为冻体融化后，使地基土中含水量大大增加，加之工程结构和细颗粒土排水能力差，土层处于饱和状态，结构基础承载力下降，结构区域内由于吸收阳光的能量多少不同，冰冻土融化速度不一致，部分区域因为冰体融化速度快，冰体产生的应力很快得到释放，部分区域因为吸收阳光的能量少，冰体融化速度慢，引力释放慢，在结构上出现不均匀应力，甚至在局部出现应力集中，引起道衬砌体及建筑物发生不均匀沉陷，结构开裂、位移破坏；冰体融化后，部分融水的流失还会在地基土中、建筑物工作缝中、建筑物与建筑物间形成空隙、空腔、空穴，在重力作用下，渠道衬砌体及建筑物因沉降而发生破坏。

2.5 冻融循环破坏

工程区进入封冻期后，随着气温的下降会使地基土鼓胀、建筑物空隙间冰胀；工程区进入融冰期后，随着气温的上升，会使地基土中冰体融化、建筑物空隙间冰体融化；年复一年，形成结冰—融化—结冰—融化……的冻融大循环。在渠系建筑物的阳坡还形成昼夜冻融小循环。工程区进入融冰期后，中午融冰，晚上结冰，融冰—结冰—融冰—结冰……日复一日，形成冻融小循环。不论是冻融大循环还是冻融小循环，都会造成渠系建筑物的破坏，只是破坏的程度有所不同。

3 防治冻胀措施

3.1 切断毛细供水通道

切断地基土与渠道衬砌和建筑物基础间的供水通道是防治渠系建筑物冻胀破坏的措施之一。砂砾石层因为没有或具有很少量的结合水，毛细上升高度小（一般小35 cm），在渠道衬砌和建筑物基础间铺设一定厚度的砂砾石层，可以切断地基土与渠道衬砌和建筑物基础间的供水通道。在工程实践中，采用砂砾石层换填一定厚度地基土来切断毛细供水通道，可防治冻胀破坏。

3.2 防止砂砾料的污染和上层滞水的形成

做好冲沟、排洪沟、汇水凹地渠段的排水、排洪设施或工程措施，防止高含泥水污染渠基及建筑物地基土上部的排水砂砾料层。防止排水砂砾料层中因黏粒的增加使其排水性能失效甚至转变成阻水层而形成局部上层滞水。

3.3 地基土中水分的排泄

渠道及其建筑物基础区附近存在地下水且地下水位较高，毛细水上升高度能够达到当地冻土层，使基础冻土层能得到外部水源的补给时会发生强烈的冻胀现象。大砂沟工程区大部分没有地下水，局部有地下水，但埋设较深。因此，基本没有地下水引起的冻胀现象。引起冻胀现象的水源主要是雨水下渗、渠道及其建筑物沿工作缝渗漏水，使地基土中的水分增加甚至达到饱和，地基土中的水由于没有在封冻前及时排泄，为冻胀破坏提供了较丰富的水源。因此，在工程建设与运行维护中减少雨水入渗和渠道及其建筑物工作缝渗水，是阻治冻胀现象发生的重要措施之一。工程实践中一是改设分块浇筑衬砌为分段整体浇筑衬砌；二是采用聚氯乙烯胶泥做好伸缩缝的止水。

3.4 渠道的运行管理

大砂沟灌区每年冬季灌溉结束一般在11月中旬左右，根据多年冬季气候情况，最早封冻开始在12月1日左右，在冬季灌溉结束至封冻这段时间内，由于渠道裂缝破损或伸缩缝止水失效形成的渠道渗水渗入渠基土，使建在黏土等细粒土区域的渠道及其建筑物地基土中水分不能有效的排泄，随着温度的持续下降，有充足水分迁移、补给，并在冻结冰体上聚集，使冻结冰体的体积不断增大，产生冻胀破坏现象。

在工程运行维护过程中及时加强渠堤孔洞、雨淋沟、沉陷坑、裂缝等的处理，利用停水间歇期，及时检查渠道衬砌混凝土、伸缩缝、工作缝是否存在漏水，及时处理侧墙底板裂缝，修复伸缩缝止水，处理工作缝渗漏问题。加强渠道渗漏处理和渠道及其建筑物周围地表排水，防止地基土中的含水量增加。

3.5 生态排水措施

在距离渠堤或建筑物3～5 m范围种植树木，通过树木吸收土体内的水分，达到降低渠系建筑物周边土体的含水量，降低冻胀破坏的风险。

4 结语

通过分析大砂沟工程渠道及其建筑物产生冻胀破坏的原因，提出了在工程设计、施工及渠道及其建筑物的运行维护过程中，根据工程实际和特点，采取防治冻胀措施，取得了较好的防治冻胀效果，保证了工程渠道及其建筑稳定和安全运行，确保了工程的耐久性和工程寿命。