谢凯

摘 要 介绍了渠道防渗工程冻害主要类型及破坏形式，分析了渠道防渗工程冻害的原因，提出了防治冻害的措施。

关键词 渠道；防渗工程；冻害；防治措施

1 渠道防渗工程冻害主要类型及破坏形式

1.1 冻害的主要类型

1.1.1 渠道冻融衬砌材料的破坏

渠道衬砌材料具有一定的吸水性，又经常处在有水的环境中，因此材料内总是含有一定的水分，这些水分在冬季负温下冻结成冰，体积膨胀，春季正温下融化，经过多个冻融循环和应力的反复作用，最终导致衬砌材料的冻融破坏。

1.1.2 渠道基土冻融对防渗体结构的破坏

由于渠道内渗漏水、地下水和其他水源补给，渠道基土中含水量比较高，在冬季零下温度下，基土中的水分发生冻结而造成土体膨胀，使渠道衬砌体开裂、隆起而折断；在春季消融时又造成渠床表土层过湿，使土体支撑强度和稳定性大大降低，导致衬砌体滑塌，这种冻害是渠道防渗工程的主要冻害。

1.2 冻害破坏形式

1.2.1 鼓胀及裂缝

在冬季，渠道防渗衬砌体与渠床基土凍结成一个整体，承受着冻结力、冻胀力以及砌体本身收缩的拉应力等，当这些应力值大于砌体在低温下的极限应力时，砌体就会发生鼓胀裂缝。多出现在渠坡坡脚以上1/4～3/4坡长范围内和渠底中部。

1.2.2 隆起架空

在地下水位较高的渠段、渠床基土距地下水近，冻胀量较大，而渠顶冻胀较小，造成防渗砌体大面积隆起、架空。这种现象一般出现在坡脚或水面以上0.5m～1.5m坡长处和渠底中部，有时还顺坡向上形成数个台阶状。

1.2.3 削落滑塌

一是由于冻胀隆起、架空，使得防渗砌体坡脚稳定受到破坏，砌体垫层失去平衡，随基土冻融时，砌体上部板块顺坡向下滑移、削落；二是渠坡基土融冻期的大面积滑坡、滑塌，使渠道防渗体失去依托和支撑，大面积塌滑下滑。

1.3 膜料防渗冻胀破坏形式

埋埔式膜料防渗结构的冻害主要表现在膜料的保护层上，土料保护层因逐年冻融削蚀薄，渠道由规则的梯形变成U型，甚至膜料外露而导致破坏。

2 渠道防渗工程冻害的原因

2.1 渠床的冻结特征

渠道断面形式、尺寸和坡面朝向的不同，造成断面上各部位温度状况有很大差别，从而决定了断面上各点的冻结深度和过程很不均匀。

南北走向的渠道总体来说，阳、阴两坡受日照和风的作用差别不大，两坡的冻结规律大致相同。但由于坡顶为二向冻结，受风的作用较大，含水量较小，故表现为渠坡上部冻深最大，渠底冻深最小，阴坡冻深略大于阳坡。

东西走向的渠道，阴、阳两坡的冻深和冻结情况则差别较大，阴坡开始冻结日期比阳坡早，冻结深度亦较大。

2.2 渠床的水分特征

渠床水分的高低主要取决于渠床所处位置的水文地质状况和地下水的高低，也与渠道防渗好坏、渠道停水时间和有无冬灌等直接相关，一般而言，在冬季当地下水位在渠底以下，但小于临界距离渠底将发生较大冻胀，且沿渠坡自下而上，冻胀量从大到小；当地下水位高于渠底，渠内冬季积水或行水，渠内水有一定的水深时，由于水体或结冰的保温作用，渠底冻胀量较小，甚至无冻胀现象，但由于土样含水量较高和水分迁移的补给量充足，在水面以上的一定范围内冻胀量最大；当渠顶有大量外来水补给，特别是穿山渠道，在地下水接近坡顶情况下，渠坡上部冻胀量将大于下部。

2.3 渠道的变形特征

渠道断面上各点的不均匀冻胀是渠道冻融期变形破坏的基本特征，渠道变形破坏一般为中部大于两端，由此造成沿渠底中心线胀裂、隆起破坏。

2.4 渠床的土质条件

当渠床为粗砂、砾石等粗相颗粒土，且地下水较低时，冻胀量一般很小；如果衬砌结构适应不均匀冻胀变形能力较强，则不会出现冻害。当地下水位较高时，砂质渠床的衬砌仍会出现冻胀破坏。

2.5 人为因素

渠道防渗衬砌工程会由于施工和管理不善而加重冻害破坏，如抗冻胀换基材料不符合质量要求或在铺设过程中掺混了冻胀性土料；填方质量不善引起沉陷裂缝或施工不当引起收缩裂缝，加大了渗漏，从而加重了冻胀破坏；防渗层施工未严格按施工工艺要求防渗效果不好，使冻胀加剧；排水设施堵塞失效，造成土层中雍水或长期滞水等。

3衬砌渠道防治冻害的措施

根据冻害成因分析，防渗工程是否产生冻胀破坏，其破坏程度如何，取决于土冻结时水分迁移和冻胀作用，而这些作用又和当时当地的土质、土的含水量、负温度及工程结构等因素有关。防治衬砌工程冻害，要针对产生冻胀的因素，根据工程具体条件从渠系规划布置、渠床处理、排水、保温、衬砌的结构形式、材料、施工质量、管理维修等方面着手，全面考虑。

3.1 回避冻胀法

回避冻胀是在渠道衬砌工程的规划设计中，注意避开出现较大冻胀量的自然条件，或者在冻胀性土地区，注意避开冻胀对渠道衬砌工程作用。

3.1.1 避开较大冻胀的自然条件

规划设计时，应尽可能避开黏土、粉质土壤、松软土层、泥土地带和高地下水位的地方段，选择透水性较强不易产生冻胀的地段或地下水位埋藏较深的地方。

3.1.2 埋入措施

将渠道做成管或涵埋设在冻结深度以下，可以避免受冻胀力、热作用力等的作用。是一种可靠的防冻胀措施，它基本上不占地，易于适应地形条件。

3.2 消减冻胀法

3.2.1 置换法

是在冻结深度内将衬砌板下的冻胀性土换成非冻胀性材料（纯净的砂砾、砂卵石及中、粗砂）的一种方法，通常又称铺设砂砾石垫层。砂砾石垫层不仅本身无冻胀，而且能排除渗水和阻止下卧层水分向表层冻结区迁移，所以砂砾石垫层能有效减少冻胀，防止冻害现象的发生。

3.2.2 隔热保温

将隔热保温材料（如炉渣、石蜡渣等）布设在衬砌体背后及地表面，以减轻或消除寒冷因素，并可减少置换深度，隔断下层土的水分补给，从而减轻或消除渠床的冻深和冻胀。

3.2.3 压实

压实法可使土干密度增加，孔隙率降低，透水性减弱，密度较高的压实土冻结时，具有阻碍水分迁移、聚集，从而消减甚至消除冻胀的能力。

3.2.4 防渗、排水

防止渠水和渠堤上的地表水入渗、隔断水分对冻层的补给，以及排除地下水，是防止地基土冻胀的根本措施。

3.3 优化结构法

在设计渠道断面和衬砌结构时采用合理的形式和尺寸，使其具有消减、适应或回避冻胀能力。圆弧形底梯形断面和U型渠道对防止冻胀有效。预制混凝土板衬砌采用宽缝结构，填缝容易，质量保证；错缝安装，有利于提高板间结合力、分散冻胀力，提高结构的整体稳定性和抗冻胀能力。

3.4 加强运行管理

冬季不行水渠道，应在基土冻结前停水；冬季行水渠道，在负温期连续行水，并保持在最低设施水位以上运行；每年应进行一次衬砌体的裂缝修补，使砌块缝间填料保持设计状态，衬砌体的封顶应保持完好，不允许有外水流入衬砌体背后；应及时维修各种排水设施，保证排水畅通；冬季不行水渠道，应在停水后及时排除渠内和两侧排水沟内积水。