渠道砌体冻害分析与冻胀防治技术研究_朱彦凯.pdf

河南水利与南水北调 2023年第2期试验与研究渠道砌体冻害分析与冻胀防治技术研究朱彦凯新疆伊犁河水利水电投资开发（集团）有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002摘要：冻胀是造成渠道衬砌出现结构性破坏的常见原因，根据梯形、U形、弧底梯形、弧脚梯形四种渠道断面形式的冻胀受力特点，总结冻害破坏特征，着重分析冻害破坏的作用位置及表现形式。然后根据冻胀作用机理和破坏特征制定针对性的防治方法，主要包括规避冻胀、适应冻胀、削弱冻胀破坏力以及优化渠道断面形式，相应工程技术措施为规避地下水位较高的施工路线、科学换填渠道基土、使用土壤固结剂、设置渠道衬砌防水及保温层、优化衬砌结构施工材料等。关键词：衬砌体渠道；冻害特征；冻胀防治技术中图分类号：TV91文献标识码：A文章编号：1673-8853（2023）02-0085-03Study on Frost Damage Analysis and Frost Heave Prevention Technology of Canal MasonryZHU YankaiXinjiang Yili River Water Conservancy and Hydropower Investment Development(Group)CO.LTD.,Urumqi 830002,ChinaAbstract：Frost heave is a common cause of structural damage in channel lining.According to the stress characteristics of frost heavein four section forms of channel,trapezoid,U shape,arc bottom trapezoid and arc foot trapezoid,the characteristics of frost damage aresummarized.And the position and manifestation of frost damage are analyzed emphatically.Then,according to the action mechanismand failure characteristics of frost heave,targeted prevention and control methods are formulated,including avoiding frost heave,adapting to frost heave,weakening the damage of frost heave and optimizing the channel section form.The corresponding engineeringand technical measures are to avoid the construction route with high groundwater level,scientifically replace the foundation soil of thechannel,use soil consolidation agent,set up the waterproof and insulation layer of the channel lining,optimize the constructionmaterials of the lining structure,etc.Key words：lining channel;freezing damage characteristics;frost heave control technology0引言渠道及其衬砌的冻胀破坏机理较为复杂，受到土壤、地下水、渠道断面形式、衬砌施工材料等多种因素的影响。衬砌体渠道冻害破坏研究已取得较为丰硕的成果，从渠道断面形式的角度出发归纳冻胀破坏特征和病害防治技术，有助于掌握其研究现状和工程解决方案。1衬砌体渠道冻害破坏特征衬砌体渠道存在多种类型，主要区别体现在衬砌施工材料、渠道断面形式、隔热保温层施工材料。衬砌施工材料包括沥青混凝土、砌石、普通水泥混凝土、膜料等，不同施工材料的抗冻胀性能和破坏方式存在一定的差异。渠道断面形式能够影响衬砌结构的受力特点，因而渠道冻害破坏特征通常与断面形式存在密切的联系，以下从断面形式的角度出发，分析渠道及衬砌结构的冻害破坏特征。1.1梯形衬砌体渠道冻害破坏特征梯形衬砌体渠道由平面底板和两侧的边坡板构成，其衬砌采用混凝土预制板或现浇水泥混凝土建造而成。渠道底板受边坡板和基土的约束，当基土含水量较大时，低温冻胀会造成底板基土膨胀，产生法向的冻胀力，导致底板形成向上抬升的趋势，此时，受到两侧边坡板的约束，底板形成了力矩，其中线及附近位置可能因此而出现弯折断裂的情况。渠道边坡板周围土体与地下水的距离存在差异，通常靠近地下水的一侧含水量较大，因而渠道边坡板下侧主要受到冻胀力影响，上侧含水量低，冻结力作用强于冻胀力，在此情况下，边坡板中下部可能会出现隆起、架空、断裂的现象。因此，梯形衬砌体渠道冻害破坏主要集中在底板中线附近和边坡板中下部区域，其破坏形式多为衬砌结构断裂、隆起、变形、滑塌。1.2U形衬砌体渠道冻害破坏特征灌溉系统中的小型支渠常采用U型砌体结构，其建造方式多为预制混凝土结构拼接，主要构成部分包括底部的弧形段和两侧的边坡板。渠道底部弧形结构是对平板结构的改良，这种类似于拱形的几何布局能够将基土冻胀力均匀地分散开，从而提高渠道底部结构的抗冻胀能力，相较于平板结构，弧形底不易出现断裂。对于边坡板而言，两侧土体产生的冻胀力是主要的破坏性因素，弧形段和边坡板的接合部位是衬砌的薄弱点，与其他一体化成型部位相比，接合面的强度较低，受弯矩影响较大。因此，U型衬砌体渠道的冻害破坏通常集中在底部弧形段和两侧边坡板的接合部位，其冻害破坏形式包括折断、整体85河南水利与南水北调 2023年第2期试验与研究抬升、位移以及开裂。1.3弧底梯形衬砌体渠道冻害破坏特征与梯形断面类似，弧底梯形断面多用于中大型渠道。两侧的边坡板为平面结构，底部为弧形段，与U形渠道相比，这种构型的渠道具有开口度大、深度大的特点。图1展示了弧底梯形渠道衬砌体结构的冻胀力分布特征。底部弧形段下方基土含水量更高，因而在负温作用下会产生更强的冻胀力。从底部向两侧边坡板延伸，法向冻胀力逐渐减小。弧形底板形成了反拱结构，具备较强的抗弯矩性能，因而可有效抵抗法向冻胀力。但边坡板上的法向冻胀力会形成正弯矩，两侧坡角处容易因此而折断。图1弧底梯形渠道冻胀力分布特点图1.4弧脚梯形衬砌体渠道冻害破坏特征弧脚梯形衬砌体渠道改良了梯形渠道的坡脚，利用弧形坡脚代替了钝角形坡脚，其衬砌体结构的法向冻胀力分布形式如图2所示。弧形坡脚利用反拱效应提高渠道底部的抗冻胀性能，但此类坡脚相对较小，两侧边坡板的长度较大，边坡板受冻胀力作用，产生力矩，存在向渠道内侧弯折的倾向。弧形坡脚与边坡板的接合部位以及弧形坡脚与水平底板的接合部位成为受力薄弱点。因此，弧脚梯形衬砌体渠道冻害主要发生在坡脚与其他结构的接合面，破坏形式多表现为断裂。2衬砌体渠道冻胀防治技术2.1规避冻胀从冻胀破坏的机理看，衬砌结构周围的土壤具有一定的含水量，而这些水分在冬季低温条件下会形成冰晶，并且土壤中的水分会发生迁移，从温度较高的部位向冰冻方向移动。水分结冰之后密度降低，体积增大，进而产生膨胀作用力。渠道衬砌多为刚性的混凝土结构，当底部基土以及两侧坡土出现冻胀之后，衬砌的各个部位均承受一定的法向和切向作用力，进而形成力矩，有可能造成结构破坏。土体形成冻胀的条件包括两个要素，如式（1）所示。（1）式中Z表示渠道衬砌底部距离地下水的高程，Hd表示设计冻土层厚度，Z0为毛管水上升的高度。土壤的塑限含水量记为Wp，冻结初期的土体含水量记为W。由此可见，土壤中富含水分是导致渠道冻害的必要条件，而水分的主要来源是地下水。土体中大量的孔隙结构能够形成毛细作用，使地下水通过毛管向上部的基土蔓延和渗透。规避冻胀的基本原理为设计渠道时尽量避开地下水位较高的区域，从而降低毛管水的上升高度，防止其触达渠道底部基土层。鉴于此，提出三条工程措施；第一，将渠道布置在灌溉区地势较高的脊梁地段；第二，设计配套的地面排水设施，防止地表水向渠道基土渗透；第三，采用填方施工，提高渠道基土层的标高。2.2削弱冻胀破坏效应在难以彻底规避地下水的灌区，应提高渠道工程的设计和建造标准，提升基础施工质量，从而大幅削弱冻胀作用的破坏力。目前，预防渠道衬砌冻胀破坏的措施大多从这一角度出发，以下介绍几种防治效果良好的工程技术措施。2.2.1利用纤维砂袋换填渠道基土渠道设施周边原有土壤的孔隙比通常较高，因而容易出现冻胀作用。渠道基土换填利用弱冻胀性土替换原有土体，从而降低基土冻胀时的膨胀量，砂砾石和风积砂是常用的基土换填材料。但这些换填材料在渗透压的作用下可能会逐步流失，从而导致渠道基础失稳。传统施工方案为设置反滤层，但大面积作业时造价较高。在工程实践中针对这一问题提出了改良措施，具体方法为使用纤维砂袋换填渠道基土。将换填砂砾装填在纤维砂袋中，由于砂袋的纤维材料具备透水排水能力，同时又能阻止砂砾流失，其作用与反滤层类似，但造价却相对低廉。2.2.2设置渠道衬砌防水及保温层2.2.2.1设置渠道衬砌防水层渠道的主要功能为输送灌溉水资源，水体具有较强的渗透能力，有可能通过混凝土结构、渠道伸缩缝、渠道沉降缝向基土中渗透，进而提高基土含水率、增加冻胀风险。因此，在设计和建造渠道时需设置防水层，提高衬砌的抗渗漏效果。对于伸缩缝和沉降缝，可使用聚乙烯泡沫条、橡胶止水带等进行填充。在渠道衬砌主体结构施工中可使用SBS改性沥青防水卷材、复合土工膜等作为防水层，将水泥基防水涂料涂抹在砌体结构面层也能起到防水效果。2.2.2.2设置渠道衬砌保温层渠道衬砌保温层能够改变和控制基土的热量输入、输出及转化过程，从而人为控制冻土结构，减轻渠床的冻深和冻胀作用。严寒低温首先产生于空气，基土中的热量会逐渐向冷空气流失，导致基土温度下降，形成冻胀。保温层的特点为导热系数低，可减显著缓热量传导速率，常用的渠道保温隔热材料包括聚苯乙烯泡沫板、炉渣、聚氨酯保温板、泡沫水泥等。将这些保温材料设置在渠道衬砌结构的背侧，可有效降低环境低温对基土的影响。在工程设计中需合理计算保温层的厚度，其主要影响因素为地区气温条件、保温材料导热系数。以聚乙烯泡沫板为例，其设计厚度的计算方法如下。计算最大零温层深度。式（2）为一种简化的热传导计算方式，主要用于求得最大零温层深度H。H=10.78D1/2ln（Z/T）（2）其中土体导热系数记为D（m2/h），渠道所在地区的年平均图2弧脚梯形衬砌体渠道法向冻胀力分布特点图86河南水利与南水北调 2023年第2期试验与研究气温和气温年振幅分别记为T、Z。计算聚乙烯泡沫保温板厚度。聚乙烯泡沫板的厚度B按照式（3）进行计算。B=1（H/2-N/3）（3）其中N表示砌体结构混凝土板的厚度，其导热系数记为3。聚乙烯泡沫板的导热系数记为1，土体的导热系数记为2。2.2.3使用土壤固结剂HEC高强高耐水土体固结剂在道路交通、水利大坝、矿井支护、房屋建筑等各类工程中实现了应用。此类产品分为多种类型，能够有效固结各类材料，包括砂石、粉煤灰、冻胀土、膨润土、湿陷性黄土、淤泥。例如：国内某企业设计研发的HEC-2型土壤固结剂专门针对冻胀土和膨润土，适合处理渠道基层。工程实践中发现，在冻胀土中加入HEC之后可显著提高土体的抗冻、抗渗性能。2.3优化衬砌施工材料，适应冻胀变形从渠道衬砌的角度看，如果能降低其刚性，适当提高柔性，那么渠道抵抗冻胀破坏的能力也会有所提升。因此，适应冻胀变形的主要思路为优化渠道衬砌结构的施工材料，提升其柔性、抗拉性能以及抗弯折性能。以下介绍几种性能优异的渠道衬砌施工材料。2.3.1沥青混凝土这种施工材料具有优异的抗渗性能，可减少渠道输水过程产生的渗漏。同时，由于材料中含有一定量的沥青，因而在物理性能上产生了柔性特点，当其受到冻胀力作用时，能够经受一定程度的变形，从而降低结构破坏的概率和严重程度。2.3.2纤维混凝土纤维混凝土是在传统混凝土中加入适量的钢纤维或者合成纤维，在制备混凝土时将纤维材料和水泥、砂以及粗集料同步搅拌，等到纤维材料与干料混合均匀后再加水搅拌。纤维材料能够提高混凝土的抗拉性能、抗裂性能以及抗渗性能。在工程实验中发现，其抗裂性能可达到普通混凝土的22.50倍。因此，建造渠道衬砌结构时可采用纤维混凝土。2.3.3采用土工复合防渗防冻材料新型土工复合材料主要用于渠道防渗，其特点为柔性和抗拉性优异，通常也被称为膜料。随着技术的发展，此类材料已形成多种类型，适用范围也有所差异。考虑到成本问题，在渠道施工中推荐采用聚乙烯材质的土工膜，兼顾防水和抗冻。2.4优化衬砌结构渠道衬砌的断面形式能够影响其结构强度和抗冻胀破坏能力，早期的梯形断面容易出现开裂、断裂问题，于是对坡脚进行优化，形成了弧脚梯形衬砌。弧形底的反拱设计提高了渠道底板的力学性能，抗冻胀效果较为优异。国内的科研成果显示，弧底梯形衬砌、弧脚梯形衬砌以及小U形衬砌显示出较强的抗冻胀性能。与此同时，在还可在衬砌结构上增加肋形板、槽形板、楔形板、中厚板，形成复核结构，提升抗裂性能。根据渠道使用的经验和数据，坡脚和边坡板的中部位置容易出现衬砌折断的现象，因此，可在这些薄弱部位设置加厚板、槽板，以达到提高强度的目的。3结语从衬砌体渠道断面形式的角度看，梯形渠道的冻胀破坏多发生在底板中线附近和边坡板的中下部，主要破坏形式为开裂、折断、隆起。U形渠道衬砌冻胀破坏大多集中在弧形底和边坡板的接合面，常表现为边坡板开裂、翘起。弧脚和边坡板的接合部位是弧底梯形渠道冻胀破坏的多发位置，破坏形式主要为断裂。弧脚梯形渠道通常在边坡板、底板与弧脚的结合部位产生断裂破坏。防治渠道衬砌冻胀破坏的技术方法可分为四大类，包括规避冻胀、削弱冻胀破坏力、适应冻胀以及优化断面结构，具体又可细分为多种技术措施，如选择远离地下水的区域建造渠道、使用土壤固结剂、优化衬砌施工材料、设置衬砌保温层和防水层等。参考文献：1 巩永杰.寒区装配式脆-弹塑性材料结合U形衬砌渠道抗冻胀研究 D.宁夏：宁夏大学，2022.2 李理想.寒区衬砌渠道水力-抗冻胀双优断面设计方法研究D.咸阳：西北农林科技大学，2022.3 刘景青，刘真.灌区U形混凝土衬砌渠道冻胀分析及结构优化 J.中国水能及电气化，2021（11）.4 蔡峰，马爱华.新疆衬砌渠道冰冻破坏类型及防治应用措施探析 J.海河水利，2021（4）.5 张晓霞.浅析衬砌渠道的抗冻胀措施 J.南方农业，2021，15（14）：213-214.6 余勇.挤塑聚苯板对混凝土衬砌渠道防冻性能的影响 J.水利科学与寒区工，2020，3（6）.收稿日期：2022-11-2编辑：雍友玉87