□周 全（新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院）

浅谈渠道抗冻胀设计

□周 全（新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院）

我国有规模地开展渠道防渗始于20世纪60年代，渠道防渗形式主要有塑模、混凝土预制或现浇板、浆砌石等。在北方季节性冻土地区，这些防渗工程均存在不同程度的冻胀破坏问题，往往在修建数年后即遭到破坏，给渠道的管理和运行造成诸多困扰。20世纪七八十年代以来，关于对渠道防渗工程的冻胀问题开展了多项试验与研究，并取得了一系列研究成果，使渠道冻胀防治技术取得了突破性进展。文章分析了严寒地区渠道产生冻胀的原因，着重阐述渠道做抗冻设计时应注意的问题，并提出了对渠道防治冻害的有效措施。

收集；基础资料；抗冻胀设计；条件；抗冻胀计算；抗冻材料

0 前言

输水渠道的防渗衬砌能起到防渗、降低水量损耗、保护岸坡稳定、提高用水效益的作用，是有效的节水工程措施。但在实践中，由于渠道处于严寒地区，常受到季节气温变化的影响，产生了冻胀破坏。如新疆北屯某地区，属典型大陆型干旱气候，最冷月平均气温为-22.6℃，极端最低气温-37.8℃。最大积雪厚度为18cm，最大冻土深度为180cm。该地区是地下水的径流区、赋存区，地下水主要为第四系孔隙潜水，区内主要受大气降水及河流垂直入渗补给。低山丘陵区、山前倾斜平原和河流冲洪积平原地下水主要为第四系孔隙型潜水，受大气降水及河流侧向补给。含水层为第四系砂砾石、中粗砂，含水层厚度5～15m，孔隙率约为10%～20%，透水性好，沿和布克河流向，含水层厚度逐渐减小。主要土壤类型有灰漠土、灰棕漠土、盐土、灌木林土和风砂土。其中灰漠土是主要土壤类型。

该灌区混凝土渠道修建年代久远，防渗渠道遭冻胀破坏严重，每年要耗费大量人力、物力、财力进行维修。因此，在工程设计与施工时，对严寒地区防渗渠道冻胀机理进行分析、计算，并采取相应的工程措施是非常必要的。

1 收集基础资料

1.1 气象资料（由水文专业收集）

最冷月平均气温（统计系列年限不少于最近20a），判断该地区寒冷程度。气象台观测资料：严寒，最冷月平均气温t<-10℃；寒冷，最冷月平均气温-10℃≤t≤-3℃；温和，最冷月平均气温t＞-3℃。确定混凝土强度C、抗渗W、抗冻指标F；混凝土最小厚度；混凝土最大水灰比。

历年最大冻土深度，统计资料系列不宜短于20a。气象站观测值计算设计冻深。（老规范用标准冻深计算）

1.2 地质资料(由工程地质专业提供）

土的种类（粉土、粘土、砂砾）、颗粒组成（0.075mm）、塑限、液限。

计算点冻前地下水埋深，当地或临近气象台冻前地下水埋深。用地表冻胀量h或地基土冻胀量hf判断土的冻胀级别，对应采取工程措施，见表1。（注：表1用的地基土冻胀量）

hf—基础结构下冻土层产生的冻胀量（cm）；h—工程地点天然冻土层产生的冻胀量（cm）；Zd—工程地点的天然设计冻深（m）。

表1 土的冻胀级别（SL211-2006）表

地表冻胀量应通过现场实测确定，野外冻胀量的观测方法按《土工试验规程》SL237-1999执行。在没有实测资料的情况下SL23-2006规定4、5级建筑物可以查规范图。SL211-2006规范未对建筑物级别分类，可根据规范公式或查图计算。（1、2、3级建筑物）冻胀量计算建议采用SL211-2006规范附录C计算，分类更加详细。

从冻胀量图上可以看出，在设计冻深不变的情况下，地下水位埋深越浅，冻胀量越大。

1.3 使用主要规范

《水工建筑物抗冰冻设计规范》SL211-2006，适用于新建或改建的1、2、3级水工建筑物的抗冰冻设计，4，5级建筑物可参照执行。

《渠系工程抗冻胀设计规范》SL23-2006，适用于季节冻土冻深>10cm地区的渠道衬砌和冻深>30cm地区的渠系建筑物抗冻胀设计。

《渠道防渗工程技术规范》SL18-2004，适用于农田灌溉、发电引水、供水等渠道防渗工程的设计、施工、测验和管理。

2 抗冻胀设计条件

（《渠道防渗工程技术规范》SL18-2004,6.6.1条）渠道防渗工程环境同时具备土质、冻深、水分3个条件时，应进行防冻胀设计。

2.1 土质

细粒土及粒径<0.075mm的土粒重量超过土样总重量10%的粗粒土（指砾石类土和砂类土）为冻胀性土。（按《渠系工程抗冻胀设计规范》SL23-2006，3.3.1条确定）

粉粒含量高的粉质土冻胀性最强，粘粒含量高的粘性土次之，砂粒土类，由于不存在薄膜水，冻结时基本不发生水分迁移，故不存在冻胀性。粒组划分标准见表2。

表2 粒组划分标准（GB50021—94）表

粘土的冻胀性较粉质土为小，是因为粘土虽有较厚的结合水膜，但毛细孔隙很小，水分在迁移过程中受到的阻力很大，没有畅通的水源补给通道，所以其冻胀性反而小。

粉土是指粒径>0.075mm的颗粒含量不超过总质量的50%，且塑性指数Ip≤10的土。粉土是介于砂土和粘性土之间的过渡性土类，它具有砂土和粘性土的某些特征，根据粘粒含量可以将粉土再划分为砂质粉土和粘质粉土。

粘性土是指塑性指数>10的土。根据塑性指数大小，粘性土可再划分为粉质粘土和粘土2个亚类，当1017时为粘土。

2.2 冻深

标准冻深（临近工程地点气温条件相近的气象站观测系列不短于20年的历史最大冻深平均值）>0.1m。

2.3 水分

冻结初期土的含水量>0.9倍塑限含水量；或地下水位至渠底的埋深小于土的毛管水上升高度加设计冻深。

海森（A.Hazen）提出了下面经验公式

H0—毛细水实际上升高度，m；C—系数，一般C=(1-5)×10-5m2；e—土的孔隙比；d10—土的有效粒径，m。

经验分析：砂类土最大0.2～0.3m，粉类土0.9～1.5m，粘性土不及粉土，上升速度也慢。粉砂、粉土和粉质粘土上升高度大，上升速度快。

渠基水分来源：渠道渗漏水成为渠床水分主要来源之一，增强了水分迁移和冻胀强度。渠道通过高地下水位区，成为水分迁移的充分补给来源，使渠道发生强烈冻胀。渠道两侧耕地、灌水沟、林带灌水产生回归水成为渠床水分的来源，可以造成强烈冻胀。

3 抗冻胀计算

计算内容：渠道衬砌结构及板式护面结构的冻胀位移量。

目的：计算置换材料的厚度。

3.1 设计冻深Zd

Zd—设计冻深，m；ψd—日照及遮荫程度修正系数；ψia值根据渠道走向和中国气候区的划分查规范图3.1.4查取；Zm—历年最大冻深；ψw—地下水对冻深的影响系数；Zw0—临近气象台冻前地下水位深度；Zwi—计算点至冻前地下水位深度。

3.2 基础设计冻深计算

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23—2006)规定，当基础板厚度≤0.5m时，基础设计冻深可按下式计算：

Zf—基础设计冻深，m；δw—基础上面的冰层厚度，m；δw=0；δc—基础板厚度（衬砌厚度）。

计算基础冻胀量，判定冻胀级别。

4 抗冻材料选择

利用天然冻胀量或者基础冻胀量判定渠道冻胀级别后，渠道冻胀级别≥Ⅲ级时，SL23-2006第5.1.5条“置换时应采用非冻胀性土置换渠床原状土”；SL211-2006规范要求渠道抗冻胀按SL23-2006执行；SL18-2004第6.6.5条“在防渗结构下设置保温层（如聚苯乙烯泡沫塑料板、高分子防渗保温卷材等）”、“非冻胀性土置换渠床冻胀性土”。

渠基土可用非冻胀性土置换或者采取保温措施，“同一断面的不同部位可采用不同的抗冻胀措施”。

非冻胀性土的定义：SL23-2006第3.3.1条，粗粒土中粒径<0.075mm的土粒重量占土样总重量10%及以下时，为非冻胀性土。特点：透水材料。

保温措施材料：聚苯乙烯泡沫塑料板、高分子防渗保温卷材其性能见SL18-2004表4.1.13-1，表4.1.13-2。特点：吸水率，浸水96h，体积分别<2%和1%。不透水。要正确选择防冻材料，建议优先选用砂砾石材料。

4.1 非冻胀性土的换填厚度

根据SL23-2006规范（5.1.5）确定：

ε—置换比(%)，按规范表5.1.5取值；δ0—衬砌板厚度，m；Zn—置换厚度，m；Zd—置换部位的设计冻深，m。

4.2 保温材料置换厚度

SL23-2006第5.1.7条规定，厚度按附录A规定的方法确定。

SL18-2004第6.6.5条规定，“大型渠道的保温层厚度，通过热工计算确定；中型、小型渠道，采用聚苯乙烯泡沫塑料板或高分子防渗保温卷材时，其厚度可取设计冻深的1/10～1/15。

[1]孙秀杰.浅谈渠道冻胀处理方式比较分析[J].水利科技与经济，2007(8).

[2]陈亮.新疆地区衬砌渠道冻胀破坏及其防治措施[J].中国农村水利水电，2004(9).

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李 迪）