陳焰炯 石江琳

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院

（集團(tuán)）有限責(zé)任公司石河子分公司 新疆 石河子 832000）

1 引言

灌溉渠道防滲襯砌是減少輸配水沿程損失、提高水資源利用效率、增強(qiáng)渠道岸邊抗滑穩(wěn)定性能以及控制灌區(qū)地下水位的工程中廣泛采用的技術(shù)措施。據(jù)相關(guān)研究表明，沒(méi)有任何防護(hù)襯砌的土渠，其沿程滲漏損失水量約占整個(gè)渠道總引水量的35%～60%左右，水資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。由此可見(jiàn)，渠道防滲襯砌所具有的節(jié)水潛力相當(dāng)大。灌溉渠道防滲襯砌防護(hù)工程雖在很大程度上提高了渠道引水資源的綜合利用效率，促進(jìn)了節(jié)水農(nóng)業(yè)的可持續(xù)快速發(fā)展，但在季節(jié)性凍土灌溉區(qū)，渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞問(wèn)題一直是制約灌溉渠道工程建設(shè)發(fā)展的一大難題。通過(guò)一系列大型灌區(qū)普查發(fā)現(xiàn)，渠道襯砌陰坡的平均凍脹率較高，幾乎可以達(dá)到72.6%，陽(yáng)坡為27%。灌溉渠道襯砌的凍脹問(wèn)題，不僅影響到渠道工程高效、經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行，同時(shí)還給灌區(qū)工程實(shí)際運(yùn)行管理帶來(lái)巨大困難，大大縮短了水利工程綜合使用壽命，因而，對(duì)渠道凍脹破壞的影響因素進(jìn)行深入研究，就成為水利工程工作人員研究的一個(gè)重要課題。

2 概況

2.1 灌區(qū)及渠道基本情況

新疆某灌區(qū)遠(yuǎn)離海洋，氣候干燥，屬大陸性干旱氣候，冬冷夏熱，日溫差大，光照充足，熱量豐富，雨量稀少，蒸發(fā)量大。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳居^測(cè)資料，灌區(qū)內(nèi)氣象子單元有一定差異，年平均氣溫7.0℃左右，極端氣溫為-42.2℃～43.1℃和-38℃～43.2℃。灌區(qū)范圍內(nèi)自上向下年溫差逐漸增大，無(wú)霜期152天～169天。灌區(qū)最大凍深1.60m。

目前，灌區(qū)內(nèi)渠道襯砌普遍采用的處理方法是對(duì)基土進(jìn)行換填處理，將渠道內(nèi)的凍脹性土壤換填成40cm厚砂礫料。但經(jīng)過(guò)多年觀察，每到冬季，渠道襯砌的混凝土表面均因凍脹產(chǎn)生了不同程度的變形、斷裂，且換填施工時(shí)開(kāi)挖量大，施工困難，施工質(zhì)量又難以保證，換填厚度往往達(dá)不到要求。

2.2 灌區(qū)凍脹表現(xiàn)形式

2.2.1 表面剝蝕

該灌區(qū)渠道均為混凝土襯砌，因砼材料內(nèi)含有一定水分，在負(fù)溫下凍結(jié)成冰，體積膨脹，當(dāng)其作用力大于砼強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫，并增大吸水性，經(jīng)過(guò)多個(gè)凍結(jié)—融化循環(huán)和應(yīng)力的反復(fù)作用，灌區(qū)內(nèi)砼表面砂漿面層部分剝蝕。究其原因，應(yīng)該是施工過(guò)程中砼表面振搗不密實(shí)所造成。

2.2.2 鼓脹及裂縫

在冬季，該灌區(qū)溫度較低，渠道砼襯砌板與基土凍結(jié)成一個(gè)整體，承受著凍結(jié)力、凍脹力以及砼板本身收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，當(dāng)這些應(yīng)力值大于砼板在低溫下的極限應(yīng)力值時(shí)，渠道板體就會(huì)發(fā)生破壞。在灌區(qū)內(nèi)，尺寸較大的砼板順?biāo)鞣较?，襯砌出現(xiàn)凍脹裂縫，縫位一般在渠坡腳以上1/4～2/3坡長(zhǎng)范圍內(nèi)和渠底中部。經(jīng)實(shí)測(cè)，在灌區(qū)冬季渠內(nèi)存水時(shí)，裂縫一般出現(xiàn)在水面附近的渠坡上。

2.2.3 隆起、架空

灌區(qū)內(nèi)有些渠段地下水位較高。凍脹量大的地方往往出現(xiàn)在渠底，渠頂凍脹量相對(duì)較小。經(jīng)觀測(cè)，在地下水位較高的渠段，在渠底中部或坡腳處，襯砌出現(xiàn)大幅度隆起、架空現(xiàn)象。

2.2.4 滑塌

該灌區(qū)的部分襯砌渠段有凍融滑塌現(xiàn)象發(fā)生。多次凍融破壞，使坡地、坡腳處砼襯砌板架空、隆起，春季基土融化期，原本受力的部位失去平衡穩(wěn)定，砼襯砌板被推開(kāi)，上部襯砌板塌落，渠坡滑塌。

2.2.5 整體上抬

經(jīng)觀測(cè)，在該灌區(qū)的部分渠段，由于混凝土襯砌整體較好，基土填充均勻，渠道內(nèi)襯砌破壞并不明顯。但是，通過(guò)水準(zhǔn)儀可以測(cè)到，渠段有整體抬升或下沉現(xiàn)象發(fā)生。

3 凍脹機(jī)理分析

渠道凍脹的條件包括土壤內(nèi)土體、水的顆粒物理性質(zhì)和低溫等，而渠道凍脹破壞源于渠道基土體積因受凍而發(fā)生膨脹，直至破壞渠道襯砌混凝土。首先，寒冷地區(qū)負(fù)溫的持續(xù)存在為渠道凍脹破壞提供了前提條件；其次，由于施工質(zhì)量等原因，加上土壤內(nèi)的毛細(xì)水和自由水、外界水分的持續(xù)性補(bǔ)給為渠道凍脹破壞提供了先決條件和必備條件；最后，土壤內(nèi)土體的物理力學(xué)性質(zhì)（如礦物質(zhì)成分、土體顆粒等）為渠道破壞提供了條件。基于上述三大條件可知，水始終是整個(gè)渠道凍脹破壞的活躍因子和必要元素。

調(diào)查結(jié)果顯示，某灌區(qū)渠道凍脹破壞現(xiàn)象主要分布在中下游，究其原因：寒冷地帶灌區(qū)中下游土壤顆粒較細(xì)、地下水位較淺、土壤內(nèi)毛細(xì)水和自由水補(bǔ)給量大，若該地區(qū)氣溫持續(xù)負(fù)溫，土壤內(nèi)毛細(xì)水和自由水必然因受凍而發(fā)生體積膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致渠基土體膨脹，頂托混凝土襯砌，最終導(dǎo)致渠道凍脹破壞。渠道凍脹破壞已經(jīng)成為制約該灌區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要影響因素，其亦是渠道建設(shè)必須要攻克的重點(diǎn)難點(diǎn)。

4 灌區(qū)凍脹防治措施

結(jié)合該灌區(qū)的具體情況，提出了以下三種防治凍脹的措施，現(xiàn)分別介紹如下。

4.1 渠基土換填法

渠基土換填法具有保溫作用明顯、優(yōu)化渠基土體結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：若渠道建設(shè)地附近換填材料充足，則渠基土換填法可有效控制渠道建設(shè)成本；若渠基土換填較徹底，且換填質(zhì)量符合工程設(shè)計(jì)要求和國(guó)家現(xiàn)行規(guī)定，則該處理方式可長(zhǎng)期規(guī)避渠道凍脹破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)。無(wú)可否認(rèn)，渠基土換填法亦存在如下不足之處：①渠基土換填法具有換填土方量大等特點(diǎn)，該特點(diǎn)對(duì)換填材料需長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)那闆r是相當(dāng)不利的，即該處理方式在某些情況下，施工成本會(huì)異常的高；②渠基土換填施工難度系數(shù)大，進(jìn)而不易控制渠基土換填的施工質(zhì)量。某灌區(qū)部分凍脹破壞嚴(yán)重的渠段，剛好渠道附近有豐富的弱凍脹土材質(zhì)-沙礫石和風(fēng)積砂，再加上此渠段為半挖半填渠段，綜合各種因素考慮，采用渠基土換填法防治渠道凍脹破壞。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行觀測(cè)，效果良好。

4.2 單一的鋪設(shè)苯板保溫材料

近年來(lái)，渠道凍脹破壞的苯板保溫法被廣泛應(yīng)用，其對(duì)防止渠基土凍脹破壞具有很好的效果，但其僅具備保溫作用。采用苯板保溫法的理由如下：苯板材料屬于一種新型材料，其抗凍效果非常好，且已由苯板抗凍試驗(yàn)資料證實(shí)，苯板厚約10cm的保溫效果等效于砂層厚約100cm；苯板保溫法施工難度系數(shù)不大，且對(duì)渠道斷面開(kāi)挖要求不高，即渠道斷面開(kāi)挖面積不大，無(wú)需挪動(dòng)基土，僅需把苯板直接安置到渠基土斷面或把材料直接襯砌到苯板上；苯板保溫法對(duì)施工機(jī)械的數(shù)量要求較少，人工勞動(dòng)強(qiáng)度較低，且苯板保溫法無(wú)需換填渠基土，進(jìn)而有效控制了施工成本，尤其是渠基土換填材料運(yùn)距過(guò)大時(shí)，苯板保溫法的經(jīng)濟(jì)性更加明顯。該灌區(qū)是一個(gè)運(yùn)行了幾十年的老灌區(qū)，凍脹破壞嚴(yán)重，渠段較長(zhǎng)，自部分渠段鋪設(shè)苯板保溫材料防治凍脹以來(lái)，效果明顯，且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，給灌區(qū)帶來(lái)了可觀的效益。

4.3 適當(dāng)布置渠道伸縮縫

經(jīng)實(shí)測(cè)，在該灌區(qū)，裂縫多產(chǎn)生在2m～4m之間，尤以3m～4m居多。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，擬定在渠系改建過(guò)程中，施工縫設(shè)置在2m～5m之間，設(shè)置太密，會(huì)增加工程量，影響施工進(jìn)度；太少又起不到作用?？紤]到施工的便利，每3m～4m設(shè)置一道。并且在基礎(chǔ)變化（如土石交叉）地段增設(shè)變形縫，同時(shí)加厚基礎(chǔ)襯砌材料，避免因不均勻沉陷造成斷裂。從縫隙漏水情況看，是因?yàn)榭p隙中沒(méi)有填塞物或填塞物沒(méi)有起到作用而漏水，所以，要在縫隙中鋪設(shè)具有較好低溫延展性、高溫穩(wěn)定性的材料，防止?jié)B漏的發(fā)生。

這里提到一個(gè)新材料-SBS改性瀝青防水卷材，它是以SBS橡膠改性石油瀝青引為浸漬覆蓋層，以聚酯纖維無(wú)紡布、黃麻布、玻纖氈等作為胎基，以塑料薄膜為防粘隔離層，經(jīng)選材、配料、共熔、浸漬、復(fù)合成型、卷曲等工序加工制作成的低溫柔性較好的防水卷材。這種卷材具有很好的耐高溫性能，可以在-25到+100℃度的溫度范圍內(nèi)使用，有較高的彈性、耐疲勞性以及耐撕裂能力，適合北方寒冷地區(qū)，以及變形和振動(dòng)較大的工業(yè)與民用建筑的防水工程。在伸縮縫處嵌入SBS改性瀝青卷材，此法的優(yōu)點(diǎn)是：能在主體工程施工的同時(shí)進(jìn)行，且不需要其它的設(shè)備，施工便利，節(jié)約工期。缺點(diǎn)是：很多工人沒(méi)有接觸過(guò)這種方法，要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行培訓(xùn)，加大了施工管理工作量；材料價(jià)格相對(duì)較高，但由于渠道斷面較小及施工簡(jiǎn)便，折算后的投資單價(jià)并不比瀝青砂漿灌漿法高。

5 結(jié)語(yǔ)

凍脹破壞處理方式的選擇應(yīng)該綜合考慮凍脹三大因素的影響和工程施工的經(jīng)濟(jì)性，但不主張針對(duì)某一地區(qū)或某一工程采用單一的凍脹處理方式。如某灌區(qū)，在部分基土材料充足的渠段采用渠基土換填法，部分不適宜換基土的渠段采用鋪設(shè)苯板保溫材料的方法，同時(shí)，在改建過(guò)程中，縫間隙填充改性瀝青防水卷材，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，防凍脹效果良好。所以，渠系防凍脹是一個(gè)系統(tǒng)工程，應(yīng)該綜合考慮施工對(duì)象的有關(guān)影響因素和施工成本，把多種防凍脹處理辦法配合使用，且做到主次分明，如切斷土壤內(nèi)水分補(bǔ)給方式+渠基土換填法；戈壁層/砂+苯板保溫或塑料薄膜保溫法，以此減輕或消除渠道凍脹破壞現(xiàn)象。