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摘 要：山东气候是海洋性季风气候，属于季节性冻土地区，大部分地区在冬季存在混凝土衬砌渠道冻胀破坏问题。文章主要分析了混凝土衬砌渠道被冻胀破坏的几种形式和具体的成因，并提出防治冻害的措施。
关键词：混凝土；渠道；冻融破坏；防治措施
中图分类号：TV698.26 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）30－0069－02
1 前言
在山东地区的季节性冻土地区，有多种防渗衬砌渠道在工程中得到了应用，而刚性衬砌渠道受气候影响最为严重，由于冻胀破坏产生的变形、开裂以及滑塌影响了工程的正常运行和效益的充分发挥的同时，也降低了渠道的使用寿命，让防渗渠道的功效大大降低，为此，只有进一步了解防渗衬砌渠道的冻胀规律，研究其起因，才能寻求合理有效的抗冻胀措施，保障渠道工程的有效运行。
2 衬砌防渗渠道的冻胀破坏形式
2.1 表面剥蚀
由于混凝土材料内含有水分，再加上施工条件的限制，表面混凝土内水分含量并不平衡，在冬季低温下材料内水分容易冻结成冰，体积膨胀，当其作用力大于混凝土强度时就会产生裂缝并增大吸水性，如此经过多个冻结，即融化循环和应力的反复作用，混凝土表面砂浆层就会逐渐剥蚀，捣振不实的混凝土材料会出现冻酥现象，严重危害整个渠道的运行。
2.2 整体上抬
在渠深1 m左右的较小渠道内，基土的冻胀不均匀性小，如果基渠大面积受冻，尤其是在衬砌整体性较好的渠道内易发生整体的上抬，这种破坏性的上抬也是危害渠道安全的一种普遍形式。
2.3 鼓胀及裂缝
天气寒冷时，渠道衬砌容易出现冻胀裂缝，而且多出现在顺水流方向尺寸较大的混凝土板上，裂缝的位置一般在渠坡脚以上1/4～3/4坡长范围内和渠底中部，当冬季渠内存水较多时，则会出现在水面附近的渠坡上。
2.4 隆起和架空
在地下水位较高的渠道内，渠床基土距地下水位近，冻胀量较大，而渠顶冻胀量相对较小，这就容易造成混凝土衬砌大幅度的隆起和架空。这种现象一般会出现在坡脚或水面以上0.5～1.5 m坡长处和渠底中部，有时也会顺坡向上形成数个台阶状隆起。
2.5 冻融滑塌
渠道衬砌的冻融滑塌主要有两种表现形式：一种是由于冻胀隆起和架空原因使坡脚的支承受到破坏，从而导致衬砌板垫层失去了稳定平衡，因而基土融化时，上部板块顺坡向下滑移、错位、互相穿插；另一种是渠坡基土融化时的大面积滑坡，渠坡滑塌，导致坡脚处混凝土板被推开，上部衬砌板塌落下滑。
3 造成混凝土衬砌渠道冻胀的原因
从混凝土衬砌渠道遭冻胀破坏的表现形式来看，造成的原因可以分为以下几个方面：①对冻胀和冻害的防护条件不够，基本的防冻措施不足；②混凝土是刚性衬砌材料，较薄，抗拉强度较低，适应拉伸变形或不均匀变形的能力差，在冻胀力或热应力的作用下容易破坏；③灌溉输水水分的入渗增大土体含水量，甚至使土体水分饱和，创造了结冰的条件；④冬季寒冷，持续低温冷空气的侵袭，易造成土体冻层和未冻层（包括地下水）水分迁移、分凝冰层形成与发育而引起冻胀；⑤渠道周围土体多孔松散的特性为水分形成了存在和迁移空间。
4 混凝土衬砌渠道的防冻害措施
综上所述的混凝土衬砌渠道的防冻类型和成因，在实际工程施工过程中应结合具体的条件，从降低渠道基土的水分含量、隔断外界水源对渠基的补给、降低地下水位、进行管理维护几个方面考虑，采取以下措施：
4.1 压实法
压实法是用压实或强夯提高基土密实度、减少基土层水分蕴含量的一种抗冻措施。在渠道施工过程中按照土坝施工要求，逐层碾压强夯，达到干密度1 650 kg/m3的要求，让强冻胀土转变成无冻胀土层，进而达到防冻胀的施工目的。
4.2 排水法
在渠床冻层下设置纵、横向暗管排水系统，排水管可采用带级配的反滤砂石料，也可用波纹塑料管或土工织物等材料，来降低基土含水量和地下水位，把渠床冻结层中的蕴藏的重力水或渠道旁的渗水排到渠外。
4.3 隔水法
在衬砌板下采用埋藏式隔膜（如塑料薄膜、土工膜、沥青油毡等）隔断地下水对冻层的补给，同时防止渠道内渗水，以减小渠床的冻胀，减少渠道破坏，铺设隔膜时要注意隔膜的边缘的压缝，其次注意清理土层动植物，避免对隔膜的穿刺影响隔膜的效果。
4.4 替代法
在冻结深度内将衬砌板下的冻胀性土用砂砾石等非冻胀层代替，替代材料与原状土之间应设置反滤层或者用非织造土工织物隔离，同时替代层必须具备排水条件。置换深度可根据冻深的分布状况和衬砌结构的允许变位值计算确定。
4.5 优化结构
常用的断面形式有混凝土“U”形渠、弧形坡脚渠、梯形、弧形渠等。混凝土衬砌结构采用楔形板、梁肋板、空心板等增强断面抵抗能力。冻胀量较大时，可采用架空渠槽法或地下埋管法消减冻胀破坏。
4.6 防治冻害的管理措施
衬砌渠道的路线应尽量避开冻胀土和地下水埋深较浅的地段，尽量采用填方渠道，对挖方渠道应同时考虑旁渗水的排除措施。冬季不运行渠道，应在日平均气温稳定进入0 ℃前10 d停水；冬季运行渠道，在负温期必须连续通水，并保持在最低设计水位以上运行。每年应进行一次衬砌体的裂缝修补，使砌缝间填料保持原设计状态；衬砌渠的封顶应保持完好，不允许有外水渗入衬砌体背后，应及时修补各种排水措施，保证排水通畅，冬季不运行渠道应在停水后及时清障，不允许渠内和排水沟内积水，渠堤外侧，应植喜水性树木护堤。
The Exploration of Concrete Lining Shannels Suffering Frost Damage
Li Qin
Abstract: Shandong climate is maritime monsoon climate, are seasonally frozen areas. There is frost damage problem of concrete lined canal in most areas in winter. The article analyzes the frost damage of concrete lined canal to be several forms and specific causes, and proposes measures to control frost damage.
Key words: concrete; channels; freeze－thaw damage; control measures
关键词：混凝土；渠道；冻融破坏；防治措施
中图分类号：TV698.26 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2011）30－0069－02
1 前言
在山东地区的季节性冻土地区，有多种防渗衬砌渠道在工程中得到了应用，而刚性衬砌渠道受气候影响最为严重，由于冻胀破坏产生的变形、开裂以及滑塌影响了工程的正常运行和效益的充分发挥的同时，也降低了渠道的使用寿命，让防渗渠道的功效大大降低，为此，只有进一步了解防渗衬砌渠道的冻胀规律，研究其起因，才能寻求合理有效的抗冻胀措施，保障渠道工程的有效运行。
2 衬砌防渗渠道的冻胀破坏形式
2.1 表面剥蚀
由于混凝土材料内含有水分，再加上施工条件的限制，表面混凝土内水分含量并不平衡，在冬季低温下材料内水分容易冻结成冰，体积膨胀，当其作用力大于混凝土强度时就会产生裂缝并增大吸水性，如此经过多个冻结，即融化循环和应力的反复作用，混凝土表面砂浆层就会逐渐剥蚀，捣振不实的混凝土材料会出现冻酥现象，严重危害整个渠道的运行。
2.2 整体上抬
在渠深1 m左右的较小渠道内，基土的冻胀不均匀性小，如果基渠大面积受冻，尤其是在衬砌整体性较好的渠道内易发生整体的上抬，这种破坏性的上抬也是危害渠道安全的一种普遍形式。
2.3 鼓胀及裂缝
天气寒冷时，渠道衬砌容易出现冻胀裂缝，而且多出现在顺水流方向尺寸较大的混凝土板上，裂缝的位置一般在渠坡脚以上1/4～3/4坡长范围内和渠底中部，当冬季渠内存水较多时，则会出现在水面附近的渠坡上。
2.4 隆起和架空
在地下水位较高的渠道内，渠床基土距地下水位近，冻胀量较大，而渠顶冻胀量相对较小，这就容易造成混凝土衬砌大幅度的隆起和架空。这种现象一般会出现在坡脚或水面以上0.5～1.5 m坡长处和渠底中部，有时也会顺坡向上形成数个台阶状隆起。
2.5 冻融滑塌
渠道衬砌的冻融滑塌主要有两种表现形式：一种是由于冻胀隆起和架空原因使坡脚的支承受到破坏，从而导致衬砌板垫层失去了稳定平衡，因而基土融化时，上部板块顺坡向下滑移、错位、互相穿插；另一种是渠坡基土融化时的大面积滑坡，渠坡滑塌，导致坡脚处混凝土板被推开，上部衬砌板塌落下滑。
3 造成混凝土衬砌渠道冻胀的原因
从混凝土衬砌渠道遭冻胀破坏的表现形式来看，造成的原因可以分为以下几个方面：①对冻胀和冻害的防护条件不够，基本的防冻措施不足；②混凝土是刚性衬砌材料，较薄，抗拉强度较低，适应拉伸变形或不均匀变形的能力差，在冻胀力或热应力的作用下容易破坏；③灌溉输水水分的入渗增大土体含水量，甚至使土体水分饱和，创造了结冰的条件；④冬季寒冷，持续低温冷空气的侵袭，易造成土体冻层和未冻层（包括地下水）水分迁移、分凝冰层形成与发育而引起冻胀；⑤渠道周围土体多孔松散的特性为水分形成了存在和迁移空间。
4 混凝土衬砌渠道的防冻害措施
综上所述的混凝土衬砌渠道的防冻类型和成因，在实际工程施工过程中应结合具体的条件，从降低渠道基土的水分含量、隔断外界水源对渠基的补给、降低地下水位、进行管理维护几个方面考虑，采取以下措施：
4.1 压实法
压实法是用压实或强夯提高基土密实度、减少基土层水分蕴含量的一种抗冻措施。在渠道施工过程中按照土坝施工要求，逐层碾压强夯，达到干密度1 650 kg/m3的要求，让强冻胀土转变成无冻胀土层，进而达到防冻胀的施工目的。
4.2 排水法
在渠床冻层下设置纵、横向暗管排水系统，排水管可采用带级配的反滤砂石料，也可用波纹塑料管或土工织物等材料，来降低基土含水量和地下水位，把渠床冻结层中的蕴藏的重力水或渠道旁的渗水排到渠外。
4.3 隔水法
在衬砌板下采用埋藏式隔膜（如塑料薄膜、土工膜、沥青油毡等）隔断地下水对冻层的补给，同时防止渠道内渗水，以减小渠床的冻胀，减少渠道破坏，铺设隔膜时要注意隔膜的边缘的压缝，其次注意清理土层动植物，避免对隔膜的穿刺影响隔膜的效果。
4.4 替代法
在冻结深度内将衬砌板下的冻胀性土用砂砾石等非冻胀层代替，替代材料与原状土之间应设置反滤层或者用非织造土工织物隔离，同时替代层必须具备排水条件。置换深度可根据冻深的分布状况和衬砌结构的允许变位值计算确定。
4.5 优化结构
常用的断面形式有混凝土“U”形渠、弧形坡脚渠、梯形、弧形渠等。混凝土衬砌结构采用楔形板、梁肋板、空心板等增强断面抵抗能力。冻胀量较大时，可采用架空渠槽法或地下埋管法消减冻胀破坏。
4.6 防治冻害的管理措施
衬砌渠道的路线应尽量避开冻胀土和地下水埋深较浅的地段，尽量采用填方渠道，对挖方渠道应同时考虑旁渗水的排除措施。冬季不运行渠道，应在日平均气温稳定进入0 ℃前10 d停水；冬季运行渠道，在负温期必须连续通水，并保持在最低设计水位以上运行。每年应进行一次衬砌体的裂缝修补，使砌缝间填料保持原设计状态；衬砌渠的封顶应保持完好，不允许有外水渗入衬砌体背后，应及时修补各种排水措施，保证排水通畅，冬季不运行渠道应在停水后及时清障，不允许渠内和排水沟内积水，渠堤外侧，应植喜水性树木护堤。
The Exploration of Concrete Lining Shannels Suffering Frost Damage
Li Qin
Abstract: Shandong climate is maritime monsoon climate, are seasonally frozen areas. There is frost damage problem of concrete lined canal in most areas in winter. The article analyzes the frost damage of concrete lined canal to be several forms and specific causes, and proposes measures to control frost damage.
Key words: concrete; channels; freeze－thaw damage; control measures