第六节 渠道防渗工程的防冻胀措施

一、渠道防渗工程冻害的主要类型

我国绝大部分地区冬季气温都要降到0℃以下，负气温对渠道防渗衬砌工程有一定的破坏作用，这种破坏称为对渠道防渗的冻害。根据负气温造成各种破坏作用的性质，冻害可分为以下三种类型。

1.防渗材料的冻融破坏

渠道防渗材料具有一定的吸水性，又经常处在有水的环境中，这些水分在负温下冻结成冰，体积发生膨胀，当膨胀作用引起的应力超过材料强度时，渠道产生裂缝并增大吸水性。在正温下融化，经过多次冻融循环和应力的作用，使材料破坏、剥蚀、冻酥，使结构完全受到破坏而失去防渗作用。

2.渠道基土冻融对防渗结构的破坏

由于渠道渗漏、地下水和其他水源补给、渠道基土含水量较高，在冬季负温作用下，土壤中的水分发生冻结而造成土体膨胀，使混凝土衬砌开裂、隆起而折断。在春季消融时又造成渠床表土层过温、疏松而使基土失去强度和稳定性，导致衬砌体的滑塌，该种冻害是渠道防渗工程的主要冻害。

3.渠道中水体结冰造成防渗工程破坏

当渠道在负温期间通水时，渠道内的水体将发生冻结。在冰层封闭且逐渐加厚时，对两岸衬砌体产生冻压力，造成衬砌体破坏，或在冰推力作用下，砌块被推上坡，产生破坏性变形。因此，渠道在严寒地区进行冬季输水，要采取防治措施，以保安全。

二、渠道防渗工程冻胀破坏形式

1.混凝土防渗破坏形式

混凝土属于刚性材料，抗压强度高，但抗拉强度低，适应不均匀变形能力较差，在冻胀力或热应力作用下，容易破坏，主要有以下四种破坏形式：

（1）鼓胀及裂缝。在冬季，混凝土衬砌板和渠床基土冻结成一个整体，承受着冻胀力作用及混凝土板收缩产生的拉应力作用，当应力值大于极限应力时，板体就发生破坏。冻胀裂缝多出现在尺寸较大的混凝土板顺水流方向，当冬季渠道积水或行水时，冰面附近渠坡含水量较高，冻胀量较大，一般易出现裂缝。

（2）隆起架空。地下水位较高渠段，渠床冻胀量大，而渠顶冻胀量小，造成混凝土衬砌板大幅度隆起、架空。一般出现在坡脚或水面以上0.5～1.5m坡长处和渠底中部。

（3）滑塌。有两种形式，一种是由于冻胀隆起架空，使坡脚支撑受到破坏，衬砌板垫层失去稳定平衡，基土融化时，上部板块顺坡向下滑移错位（图2-12）；另一种是渠坡基土融化期的大面积滑坡，渠坡滑塌，导致坡脚混凝土板被推开，上部衬砌板塌落下滑（图2-13）。

（4）整体上抬。渠深1.0m左右的渠道，基土的冻胀不均匀性较小，尤其在弱冻胀地区和衬砌整体性较好时可能发生整体上抬，如小型U形渠道（图2-14和图2-15）。

2.砌石防渗破坏形式

砌石亦属于刚性衬砌材料，冻害破坏形式与混凝土类似，有裂缝、隆起架空、滑塌等形式，浆砌石防渗渠道，往往还由于勾缝砂浆受冻融作用而开裂。

3.沥青混凝土防渗破坏形式

沥青混凝土具有一定柔性，能适应一定的低温变形，但冻胀量大时，仍可能破坏。沥青混凝土温度收缩系数大，低温下易产生收缩裂缝，拌和不均匀或碾压不密实的地方，会出现冻融剥落等破坏现象。

4.膜料防渗破坏形式

膜料防渗破坏主要表现在膜料的保护层上，土料保护层常因冻融剥蚀变薄，甚至膜料外露而遭到破坏，如图2-16所示；混凝土等刚性保护层在冻胀地区可能会出现类似于上述刚性材料衬砌的破坏形式。

外露式膜料衬砌，易受机械作业破坏或老化。在冻胀性土区，由于渠坡的反复冻融，融土蠕动下滑，使薄膜鼓胀，无法复位，如图2-17所示。

三、渠道防渗工程冻害的原因

1.渠床水分

渠床土含水量决定着土体的冻胀与否，只有当土中水分超过一定界限值，才能产生冻胀。在无外界水源补给时，土体的冻胀性强弱主要取决于土中含水量；在有外界水源补给时，尽管土体初始含水量不大，但在冻结时外界水源的补给却可以使土体的冻胀性剧烈增加。地下水位在临界埋深以下时，渠底和坡下部发生轻微冻胀或无冻胀，对衬砌体破坏作用不大；地下水位在渠底以下，但小于临界深度，渠道内不行水、无积水，此时渠底有较大的冻胀，并沿渠坡向上，冻胀量由大到小；地下水位高于渠底，渠内有积水，或渠道行水时，由于渠内水的保温作用，渠底冻胀较小，甚至渠底不冻或无冻胀现象，两侧坡由于土的含水量较高和水分迁移的补给水源充足，在水面以上的范围内冻胀量最大。

2.渠床土质

冻结过程中的水分积聚和冻胀与土质密切相关，通常认为与土的粉黏粒含量成正相关。当渠床为细粒土，特别是粉质土时，在渠床土含水量较大，且有地下水补给时，就会产生很大的冻胀量。粗颗粒土壤则冻胀量较小。

3.温度

温度条件包括外界负气温、土温、土中的温度梯度和冻结速度等。土的冻胀过程的温度特征值有冻胀起始温度和冻胀停止温度，土的冻胀停止温度值表征当温度达到该值后，土中水的相变已基本停止，土层不再继续冻胀。在封闭系统中，黏土的冻胀停止温度是-8～-10℃，亚黏土是-5～-7℃，亚砂土是-3～-5℃，砂土是-2℃。

4.压力

增加土体外部荷载可抑制一部分水分迁移和冻胀。如果继续增加荷载，使其等于土粒中冰水界面产生的界面能量时，冻结锋面将不能吸附未冻土体中的水分，土体冻胀停止。为防止地基土的冻胀所需的外荷载是很大的，因而单纯依靠外荷载抑制冻胀是不现实的。

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，防渗效果差，使冻胀加剧；排水设施堵塞失效，造成土层中壅水或长期滞水等。另外，渠道停水过迟，土壤中水分不及时排除就开始冻结。开始放水的时间过早，甚至还在冻结状态下，极易引起水面线附近部位的强烈冻胀，或在冻结期放水后又停水，常引起滑塌破坏；对冻胀裂缝不及时修补，会使裂缝年复一年地扩大，变形积累，造成破坏。

四、防冻害措施

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，因此，防治衬砌工程的冻害，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、衬砌结构型式、材料、施工质量、管理维修等方面着手，全面考虑。

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，或者在冻胀性土存在地区，注意避开冻胀对渠道衬砌工程的作用。

（1）避开较大冻胀的自然条件。尽可能避开黏土，粉质土壤、松软土层，淤泥土地带，有沼泽和高地下水位的地段，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段，将渠底冻结层控制在地下水毛管补给高度以上。尽可能采用填方渠道，使渠线布置在较高的地带，避免两侧水流入渠。

（2）埋入措施。将渠道作成管或涵埋入冻结深度以下，可以免受冻胀力、热作用力等影响，是一种可靠的防冻胀措施，它基本不占地，易于适应地形条件。

（3）置槽措施。置槽可避免侧壁与土接触以回避冻胀，常被用于中小型填方渠道上，是一种价廉的防治措施（图2-18）。

（4）架空渠槽。用桩、墩等构筑物支承渠槽，使其与基土脱离，避免冻胀性基土对渠槽的直接破坏作用，但必须保证桩、墩等不被冻拔，此法形似渡槽，占地少，易于适应各种地形条件，不受水头和流量大小限制，管理养护方便，但造价高（图2-19）。

2.削减冻胀法

当估算渠道冻胀变形值较大，且渠床在冻融的反复作用下，可能产生冻胀累积或后遗性变形情况时，可采用削减冻胀的措施，将渠床基土的最大冻胀量削减到衬砌结构允许变位范围内。

（1）置换。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的一种方法，通常采用铺设砂砾石垫层。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向表层冻结区迁移，所以砂砾石垫层能有效地减少冻胀，防止冻害现象发生。

（2）隔垫保温。将隔热保温材料（如炉渣、石蜡渣、泡沫水泥、蛭石粉、玻璃纤维、聚苯乙烯泡沫板等）布设在衬砌体背后，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。

目前采用较多的是聚乙烯泡沫塑料，如图2-20所示，具有自重轻、强度高、吸水性低、隔热性好、运输和施工方便等优点，主要适用于强冻胀大中型渠道，尤其适用于地下水位高于渠底冻深范围且排水困难的渠道。

（3）压实。压实法可使土的干密度增加，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，从而削减甚至消除冻胀的能力。压实措施尤其对地下水影响较大的渠道有效。

（4）防渗排水。当土中的含水量大于起始冻胀含水量时，才明显地出现冻胀现象，因此，防止渠水和渠堤上的地表径流入渗，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.优化结构法

所谓优化结构法，就是在设计渠道断面衬砌结构时采用合理的形式和尺寸，使其具有消减、适应、回避冻胀的能力。

弧形渠底梯形断面和U形渠道已在许多工程中应用，证明对防止冻胀有效。弧形渠底梯形断面适用于大中型渠道，虽然冻胀量与梯形断面相差不大，但变形分布要均匀得多，消融后的残余变形小，稳定性强。U形断面适用于小型支斗渠，冻胀变形为整体变位，且变位较均匀。