对渠道冻胀破坏的产生的原因分析及如何处理

对渠道冻胀破坏的产生的原因分析及如何处理

阿布都沙拉木.阿布都热西提

阿布都沙拉木.阿布都热西提新疆水利厅头屯河流域管理处

摘要：本文通过对某案例进行大量的技术数据分析，指出了渠道冻胀破坏的原因，并采取了相应的防治措施，保障了灌区渠道运行的安全性，减少了水的渗漏损失，提高水的利用率。

关键词：渠道；冻胀；措施；

Onchannelfrostheavingdamagereasonsanalysisandhowtodealwith

AbudousaladwoodenwAbdouGecity

XinjiangDepartmentofwaterresourcesofToutunRiverRiverBasinManagementOffice

Abstract:Basedonacaseofmassivetechnicaldataanalysis,pointedoutthechannelfrostheavingdamagereason,andtakecorrespondingmeasures,protectthechanneloperationsafety,reducethewaterleakageloss,improvetheutilizationrateofwater.

Keywords:channel;frostheave;measures;

一、工程概况

某灌区始建于上世纪70年代初期，建成大中型泵站38座，小型泵站102座，装机容量63567kw。总干渠1条，干渠5条，总长度178.85km。设计流量12m3/s,加大流量14.40m3/s，总扬程529m，设计灌溉面积2.03万hm2。灌区之间，气候干燥、降水少、蒸发量大、昼夜温差大、日照时间长、无霜期较短，属于典型的干旱、半干旱大陆性气候。据气象站多年观测资料统计表明：灌区年平均气温8.8℃，年平均最高气温37.4℃，年平均最低气温-27.4℃。年平均风速为1.2m/s，最大风速22m/s。最大冻土深度1.1m，地表冻结期每年约5个月。

二、现状及破坏情况

1湿陷性黄土渠基是产生冻胀破坏的重要因素

灌区渠道位于湿陷性黄土高原区，该区黄土主要由颗粒组成，颜色呈棕黄、灰黄或褐黄，具有大孔隙和垂直节理特征。渠基在一定渗水压力下产生湿陷而冻胀。工程自1971年运行以来，因湿陷冻胀破坏设施引起的工程事故比较多，平均年直接经济损失为60万元。渠道因冻胀造成的衬砌面的变形、裂缝乃至渠道滑坡，降低了防渗作用，严重影响了渠道运行的安全性、水的利用率及工程的效益。

2灌区渠道冻胀破坏的现状

1）总干渠冻胀破坏情况。经过多年对总干57.2km渠道进行观测及试验发现，工程完好的为36.6km，有明显裂缝的为6.5km，渠道下部隆起的有7.6km，滑坡6.5km。

2）干渠冻胀破坏情况。经过多年对灌区白塬、三场塬、关川三条干渠总长106.33km渠道进行观测发现，遭受破坏为76.77km，占渠道全长的72.2%。

三、灌区渠道冻胀的特点和规律

1不同的渠道断面形式冻胀变形的程度不同

对梯形断面渠道的冻胀数据分析发现：梯形渠道在两旁坡脚底以及坡面上部冻胀量比较小，而渠底的中位和坡面的下部冻胀量较大，坡面靠近坡脚处冻胀量最大。一般在坡面底部第一层预制块被推移跌叠，造成与第二层预制块的灰缝脱落，被冻结的基土消融后从灰缝中流出。渠底部分中间预制块隆起，混凝土的抗剪强度不足使灰缝部位推移错位。因此，我们将渠道断面形式由梯形渠底改为弧形渠底，观测后弧形断面冻胀变形均匀，坡面变形程度为梯水利建设形渠的1/4，灰缝的变形是原来的1/5，渠底基本没有变形。

2不同的防渗衬砌形式冻胀破坏程度不同

1）.砂砾垫层厚度与冻胀数据分析。在整个冻融期内混凝土块衬砌的混凝土面及基土的分层冻胀、融化变形、土壤水分、冻结深度、衬砌表面的温度等数据，分析研究表明：当垫层厚度为阳坡20cm～40cm、阴坡30cm～60cm之间，每增加15cm，冻胀就减少1cm。当阳坡衬砌面垫层厚度为30cm～60cm、阴坡40cm～80cm,砂砾石垫层每增加15cm，冻胀减小0.5cm。另外，混凝土块衬砌比现浇的渠道土壤中含水量高，冻胀量大，恢复较快。

2）.采用不同的防渗抗冻衬砌结构应用实例。在灌区干渠段选择了2600m渠道共有6种不同类型分8个断面进行比较，实践证明，深挖方地段砂砾垫层具有较好的防冻胀效果，但其抗渗性能比较差，不宜在高填方渠道使用。而用砂砾垫层，再增设防渗材料，效果较好。近年来，我们采用在深挖方地段采用砂砾垫层削减冻胀，再铺设塑料布或复合土工膜，用M10砂浆衬砌混凝土块的渠道，防渗和防冻效果显著；在高填方区采用了原土翻夯50cm，再铺设塑料布或复合土工膜，用2cm～4cm砂浆垫层衬砌混凝土块的渠道运行近4年，没有明显的冻胀变形。

四、原因分析

1冻融循环形成冻胀破坏

纯净水的冰点为0℃，而地基中水由于土壤含有盐等矿物质的影响水在-3℃冻结。土壤冻结时体积约增大9%，因而会产生冻胀。灌区每年冬灌结束在

11月下旬，一般平均气温在-5℃～-7℃之间，当渠道排空时，土壤中所含的大量水分自然地从高压区流向低压区。所以，渠道基土中的水分逐渐向渠道内渗透。但是由于温度低，混凝土表面结冰，形成了一个封闭层使土壤中的水分无法正常排出。从而冰冻层每天以2.5cm～4.5cm的速度向土壤深层渗漏。每年的1月份，冰冻层可达30cm～65cm。2月份上旬，气温最低，冻胀层比较稳定，厚度约为78cm～110cm。因为土壤在冻结时，水分向冻结面运动，在土壤中形成了含水量较低的区域相对冻胀量占总冻胀量的10%。从2月中旬开始，气温开始回升，开始融化。此时因冻胀混凝土受到拉力，当混凝土的抗拉能力小于冻胀力时，灰缝被拉裂脱落。在冰融时，水分随裂缝向外渗透。基土中下层还未解冻，不能吸收多余水分，导致大量水分集中在土壤深度为40cm之上的区域，这样基土在这个区域内抗剪强度很低，基土形成滑坡面。在水、泥、混凝土块的自重作用下，从滑动面向下滑，导致混凝土衬砌面被破坏。

2渠道的冻胀破坏主要因素

从灌区渠道试验结果中分析得出渠基冻胀破坏与以下四种因素有关。一是土壤颗粒的大小以及颗粒间级配。灌区的土壤性质为粘土、亚粘土、沙土，均属于冻胀类型。因颗粒大小不同，吸收水分的能力不同，吸水能力与冻胀能力成正比。颗粒间级配与冻胀力成反比。二是土壤的含水量。土壤的含水量越高，冰冻体积就越大，冰冻的破坏力越强。从观测结果中得出当土壤含水量大于12%～17%时，冻胀破坏尤为突出。三是气温因素。气温对冻胀的影响也很大，由于冬灌结束时气温很低，土壤中的水分不能及时下渗，全部冻结成冰。四是基土所受的负荷。基土所受的负荷越大，向外排水的能力就越大，冻胀破坏也就明显。

五、防治措施

1采用现浇混凝土防渗抗冻渠道现浇混凝土渠道自重大、刚度强、结构性能好、抗渗能力强，从而降低基土的含水量，有效地防止了冻胀的破坏。但是容易在应力集中的部位产生裂缝、维修难度大、维修养护费用高。这种方式适用于高填方、地基稳定地段。

2采用浆砌石防渗抗冻渠道灌区的冻胀破坏区主要集中在表层下40cm的范围，而砌石厚度一般在30cm～40cm。这种防渗抗冻衬砌方式具有工程整体性较好、抗冻能力强的特点。在工程运行中使用寿命较长。

3采用弧形渠道断面结构形式梯形段面的渠道由于存在折角而受力不均匀，易在渠道中部、坡脚30cm处发生冻胀，渠道底部隆起。采用弧形断面的渠道，由于拱形的作用可以有效地防治冻胀，而且弧形渠道的受力比较均匀，过水断面水力条件好，适应黄土地区灌区渠道改造。

4选用适当的防渗抗冻措施

1）渠道基础夯实防渗抗冻。基土翻夯50cm处理，使夯实土方干容重1.5t/m3以上，有效地增强基土的粘聚力，降低持水度，上铺防渗膜，提高抗渗性，减少基土的含水量。

2）防渗抗冻材料的特点。油毡或者玻璃丝布具有良好的防渗效果，但是幅宽太小，施工不方便，容易老化；聚乙烯薄膜使用方便，防渗效果好，使用寿命长，但是表面光滑，糙率小，衬砌不方便；复合土工膜使用方便，防渗效果佳，是防渗抗冻的最佳选择材料。

3）选用适当的防渗衬砌技术措施。近年来，随着科学技术的

发展，我们逐步改变了渠道防渗抗冻技术措施，主要采用渠道断面结构形式由梯形改为弧形断面，复合土工膜作为防渗体，M10砂浆衬砌混凝土块，取得了良好的防渗抗冻效果。

4）换基处理。在深挖方地段和回归水较多的地段，应在复合土工膜下用厚度30cm砂砾石做换基处理，增强材料抗冻性。

5加强工程管理，减少渠道冻胀破坏在渠道工程建设管理中，要保证工程质量，确保防渗层的整体性。混凝土块之间的勾缝要密实，沥青砂浆伸缩缝处理达到设计要求。在渠道工程运行期间要勤检查，发现有裂缝或者空洞要及时修复，采取相应的技术措施进行处理。在灌溉管理中，冬季灌溉期间，合理调度，提早结束冬灌，有效避免冻胀破坏。