第四期：不同类型区典型工程渠道防渗防冻胀技术应用模式及效果评价
二、渠道防渗防冻胀主要技术措施
2.1渠道防渗工程的冻害类型及破坏形式
我国大部分地区属于温带气候，季节性冻土地区面积大约513.7万平方千米，占国土面积的53.5%，分布比较广泛，在季节性冻土地区，冬季气温都要降到零度以下，负温对于混凝土衬砌防渗渠道有着—定的破坏作用，即冻害。根据负温造成各种破坏作用的性质，冻害可以分为冻胀破坏、冻融破坏和冰冻破坏三种类型，并具有不同的破坏形式。其中，混凝土衬砌防渗渠道的冻胀破坏最为严重，在我国北方季节性冻土地区比较广泛，对工程的危害程度较大，是渠道衬砌与防渗工程的主要冻害型式。
2.1.1冻害类型
（1）冻胀破坏
冻胀破坏指渠基土冻胀和融沉对混凝土衬砌结构的破坏。当渠基土为冻胀性土，且其含水量大于起始冻胀含水量时，在冬季负温的作用下，由于渠基土中的水冻结后体积增大，造成土体膨胀，而使衬砌结构隆起。当冻胀变形超过衬砌结构的允许变形时，或因冻胀而产生的冻胀力超过衬砌结构的抗裂或抗拉强度时，衬砌结构就会开裂，甚至折断。在春节消融时又造成渠床表土层过湿，使土体失去强度和稳定性，往往会导致衬砌体的滑塌。
（2）冰冻破坏
冰冻破坏指冬季输水渠道水体结冰对混凝土衬砌结构的破坏。我国寒冷地区大部分灌溉渠道在最冷月停止输水，但少数兼有输水发电和向下游输水功能的渠道，在负温期间通水时，渠道里的水体常常会结冰，产生冰冻破坏。渠水完全封冻后，冰冻层逐渐加厚，对渠坡衬砌体产生冰压力，造成衬砌体的移位和破坏；或在冰压力和渠基土冻胀力的作用下鼓胀，发生破坏变形。同时，漂浮的冰块或冰屑团会在局部积累，减少过水断面，严重时使断面完全封堵，形成冰坝，造成渠水漫溢，甚至溃渠的事故。
（3）冻融破坏
冻融破坏指混凝土衬砌材料内部孔隙水的冻融导致衬砌板的破坏。混凝土衬砌材料具有一定的吸水性，又经常处在有水的环境中，因此材料内总是含有一定的水分，这些水分在负温下冻结成冰，体积会发生膨胀，比原体积增大9%。当这种膨胀作用引起的应力超过材料的强度时，材料就会产生裂缝，第二个负温周期中，其吸水性增大，结冰膨胀破坏的作用更为剧烈，经过多个冻融循环应力的反复作用，最终导致衬砌材料的冻融破坏，如混凝土衬砌板表层剥落、冻酥等。
2.1.2冻害破坏形式
渠道防渗工程，在同一气候、地质及水文地质条件下，因衬砌材料和结构型式不同，其冻害的程度和破坏形式也不相同。混凝土衬砌防渗渠道应用最为普遍，冻胀破坏也最为严重。混凝土属于刚性衬砌材料，具有较高的抗压强度，但抗拉强度较低，并且衬砌板厚度较薄，适应拉伸变形或不均匀变形的能力较差。在冻胀力或热应力的作用下，容易破坏，其破坏形式归纳如下：
（1）鼓胀及裂缝
在冬季负温条件下，混凝土衬砌板与渠基土冻结成一个整体，承受着冻结力、冻胀力，以及混凝土板本身收缩产生的拉应力等，当这些应力值大于混凝土板在低温下的极限应力时，板体就发生破坏。混凝土衬砌板的冻胀裂缝，多出现在尺寸较大的现浇混凝土板顺水方向，缝位—般在渠坡坡脚以上1/4～3/4坡长范围内和渠底中部；当冬季渠道积水或行水时，一般渠坡混凝土衬砌板在水位线附近出现裂缝，甚至折断；当缝间止水材料不能适应低温变形时，将在分缝处发生开裂。
混凝土衬砌板冻胀裂缝照片
混凝土衬砌板冻胀裂缝照片
冻胀裂缝宽度与基土的冻胀性及其不均匀程度有关。基土冻胀性弱，裂缝小；基土冻胀性强，裂缝宽，而且将发展成更严重的其他形式的破坏。温度裂缝和拉裂缝一般呈发射状，但这些裂缝往往都与土的冻胀同时发生，因而缝宽亦随之扩大，特别是其中的纵向裂缝常常成为冻胀缝。
不论上述哪种形式的裂缝，一旦出现，就难于或不可能在基土融化时完全复原。甚至由于裂缝块间相互挤顶而留下宽缝或局部挤碎。裂缝的出现，不但造成渠道漏水，而且由于泥沙通过裂缝被带入板下，污染垫层，加剧土的冻胀。在逐年冻融循环作用下，裂缝宽度和冻胀累积发展，导致衬砌体破坏愈来愈严重。
（2）隆起架空
在地下水位较高的渠段，渠基土距地下水近，冻胀量大，而渠顶冻胀小，造成混凝土衬砌板大幅度隆起、架空。这种现象一般出现在坡脚或水面以上0.5～1.5m坡长处和渠底中部，有时也顺坡向上形成数个台阶状。 冬季行水渠道水位线以下的土体无冻胀，混凝土衬砌板无变位，水位线以上部分则暴露在大气中，在负温作用下，渠基土冻结膨胀，使衬砌板隆起，春季消融时很难复位，形成架空。
混凝土衬砌板隆起架空照片
（3）错位及滑塌
渠道混凝土衬砌板的冻融滑塌有两种形式。一是由于冻胀隆起、架空，使得坡脚支承受到破坏，衬砌板垫层失去稳定平衡，因而基土融化时，上部板块顺坡向下滑移、错位、互相穿插、迭叠，其破坏形式如图示；二是渠坡基土冻胀隆起，融化期大面积滑坡，渠坡滑塌，导致坡脚混凝土板被推开，上部衬砌板塌落下滑，其破坏形式如图示。
渠道坡脚混凝土板冻胀导致整个护坡破坏的形状
渠坡基土冻融滑坡导致混凝土板滑塌破坏的形状
渠坡基土冻融滑坡导致预制混凝土板滑塌破坏照片
渠坡基土冻融滑坡导致预制混凝土板滑塌破坏照片
（4）整体上抬
当渠道断面较小，渠基土冻胀较为均匀，尤其是在弱冻胀地区和衬砌结构整体性较好时，如小型混凝土"U"形渠槽可能发生整体上抬，如图示；渠坡长度较短，衬砌体下没有垫层的梯形渠道，如果地下水位较深，冻胀量较小的情况下，衬砌体可能发生整体顺坡向上推移，如图示。
小型混凝土"U"型渠槽发生整体上抬情况
混凝土衬砌整体顺坡向上推移
整体上抬的渠道衬砌体，融化期亦可能由于不均匀沉陷和不能恢复原位，以及通水时水流作用导致裂缝和淘涮、错位和塌陷等破坏，在逐年反复冻融作用下，特别是在衬砌体整体性较差时，如上述后一种衬砌板整体上抬的情况下，这种破坏将变得愈加严重。
（5）剥落及酥松
混凝土在凝结硬化过程中会形成许多毛细孔隙，在冬季负温条件下，这些毛细孔隙中的水结冰产生体积膨胀，当压力超过混凝土能承受的应力时，混凝土内部就会产生微裂缝，孔隙变大。经过年复一年冻融循环，混凝土损伤不断扩大，逐步积累，混凝土中的裂缝相互贯通，强度逐渐降低，造成混凝土破坏。抗冻标号达不到要求和拌制不良的混凝土常发生这种破坏，首先是混凝土表层酥松、剥落，然后向深部发展，以至完全破坏。
另外，混凝土衬砌渠道分为现浇混凝土衬砌和预制混凝土板衬砌。预制混凝土板衬砌渠道，为了便于施工，预制板一般尺寸较小，重量轻，工程运用实践表明，这种衬砌结构型式抗冻害能力差。由于渠基土的不均匀冻胀，常使预制混凝土板在接缝处开裂或预制板本身产生裂缝；在严重冻胀条件下，出现预制混凝土板块架空、错位、下滑等现象。现浇混凝土衬砌分块较大，接缝少，渗水损失也少，抗冻害能力比预制混凝土板好，这种衬砌结构在渠基土的不均匀冻胀作用下，易产生隆起或出现不规则的裂缝，被裂缝分开的板体间多产生错位。裂缝纵横向都有，但多为纵向裂缝。
2.2渠道防渗工程冻胀破坏成因及特征
渠基土冻胀对混凝土衬砌渠道的破坏，在我国北方季节性冻土地区比较广泛，对工程的危害程度较大，是混凝土衬砌渠道的主要冻害型式。因此，下面主要总结和分析渠基土冻胀破坏成因及特征。
2.2.1冻胀破坏成因
（1）渠基土的冻胀机理
土体发生冻胀必须具备土质、水分和温度三个条件，称为土的冻胀三要素，三者缺一不可。渠基土发生冻胀也一样，即必须具备这三个条件：一是具有冻胀敏感性的土质；二是土壤含水量超过起始冻胀含水量（特别是有外来水源补给）；三是达到土体冻结的负温和一定的持续时间。因此，对于渠道衬砌与防渗工程，当采用一定措施控制其中一个条件，就可以减弱或消除渠基土的冻胀，达到防治冻害的目的。
渠基土产生冻胀是由于土体中的水分冻结成冰后体积发生膨胀的结果。在非饱和土冻结时，土体中水分（孔隙水）的体积增量将首先充填剩余空间，土体冻胀量不是很大，其冻胀危害也不大。但当土体在冻结过程中有外界水源补给时，就会发生冻结水分迁移而形成分凝层，使土体的冻胀量急剧增大，其冻胀危害也增大。
渠基土在冻结前，土体中的液相水形成以土颗粒为中心的结晶核，当土体温度达到相应的冻结温度以下时，土体中的水分冻结成冰，出现冰晶体，使土颗粒之间的凝聚力由未冻前的水膜和水的表面张力改变为土颗粒在冰晶体间的分子力作用，从而改变了原土体的物理力学性质，如抗压强度提高、压缩性显著减小、导热系数及导温系数增大等。土冻结成冰时，土体体积约增大9%，因而发生土体胀大现象。在一定的负温作用下，水分与土颗粒表面相互作用力小于冰的结晶力，结晶的冰层吸附相邻土层的水分，冰晶体不断增长。
由于在土体冻结过程中发生连续的水分迁移，土体中水分（包括未冻区向冻结锋面迁移补给的水分及孔隙中原有的部分水分）冻结成冰，形成冰层，且称不均匀分布和分层，体积胀大，一方面使下部未冻土层受到压缩，另一方面冻结的渠床表面发生隆起，产生冻胀。
渠基土冻胀宏观上表现为冬季负温时渠床表面的不均匀升高隆起，与其相反过程是春季融化后渠床表面融沉下降。
（2）渠基土冻胀的主要影响因素
渠基土冻胀是水分迁移及其派生的现象，对水分迁移的影响因素也就是对冻胀的影响因素。影响水分迁移强弱的因素主要有渠床土质、土体含水量、温度条件和荷载压力。有效改变或控制这些因素之一即可达到减弱或消除渠基土冻胀的目的。
①渠床土质
渠道冻害严重程度与渠基土的冻胀量大小有关，而冻胀量则与土的冻胀敏感性有关。土的冻胀敏感性决定于土颗粒大小、矿物成分和密度等。土颗粒愈小，其比表面积愈大，与水相互作用的能量也愈高。土颗粒的大小即比表面积的差异直接影响到土体冻结过程中水分迁移能力的不同，因而不同土颗粒组成，其冻胀特性不同。一般随着颗粒粒径减小，土的冻胀性增大。粗粒土中粒径小于0.075mm的土粒重量占土样总重量的10%及以下时，为非冻胀性土；细粒土及粒径小于0.075mm的土粒重量超过土样总重量的10%的粗粒土为冻胀性土。
矿物成分在土体冻结过程中对水分迁移有影响，因而对土的冻胀也有影响。土的密度对冻胀也有一定的影响，在同一含水量下，干容重不同，冻胀系数可相差很大，其变化规律，在相同条件下，冻胀系数随含水量的增大而增大。一般通过压实提高土的密度，可以减少冻结过程中的水分迁移量，从而减小土体的冻胀量。
②土体含水量
渠基土中的水分是其产生冻胀的主要因素。不是所有含水的土冻结时都会产生冻胀，只有当土体中的水分超过某一界限值后，土的冻结才会产生冻胀，这个界限一般称为土的起始冻胀含水量。当土体含水量小于其起始冻胀含水量时，土中有足够的孔隙容纳未冻水和冰，冻结不会产生冻胀。
当无外界水源补给时，渠基土的冻胀性强弱主要取决于土体中的含水量。但当有外界水源补给时，渠基土的冻胀性不仅与起始冻胀含水量有关,而且外界水源的补给可大大增加其冻胀性。
③温度条件
温度条件包括外界气温、渠床土体温度、土体中的温度梯度和冻结速度等。渠基土的冻结冻胀过程，实际上是在负气温的作用下土体中温度的变化过程。土体在达到起始冻结温度后开始冻结，然后再降温至起始冻胀温度时开始冻胀，最后达到停止冻胀温度后停止冻胀。在冻结过程中，上层土体水分含量的增加是下层土体水分在温度梯度驱动下向上层迁移造成的。冻结速度对冻胀也有影响，当冷却强度大时，冻结面迅速向未冻部分推移，未冻部分的水来不及向冻结面迁移就在原地冻结成冰，无明显冻胀；冷却强度小时，冻结面推移慢，未冻水克服沿途阻力后到分凝成冰面结冰，在外部水源补给下，冻结面向未冻部分推移越慢，形成的冰层越厚，冻胀也越大。
在无外界水源补给时，对粘土来说，自土体冻结温度至-3摄氏度左右，土体冻胀剧烈，冻胀量约占最大冻胀量的70～80%；-3摄氏度～-7摄氏度范围，土体冻胀增长缓慢，冻胀量约占最大冻胀量的15～20%；-7摄氏度～-10摄氏度范围，土体冻胀极为缓慢，冻胀量约占最大冻胀量的5%左右。对于中粗砂，0摄氏度～-1摄氏度为冻胀剧烈阶段，-1摄氏度～-2摄氏度为冻胀增长缓慢阶段，-2摄氏度～-3摄氏度为冻胀增长极为缓慢阶段。粘土的冻胀停止温度为-8摄氏度～-10摄氏度，亚粘土为-5摄氏度～-7摄氏度；亚砂土为-3摄氏度～-5摄氏度；砂土为-2摄氏度左右。
④荷载压力
增加土体外部荷载可抑制一部分水分迁移，减轻冻胀。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，此时的荷载称为中断压力。但是，在实际的渠道衬砌工程中，为防止渠基土冻胀所需要的外部荷载是很大的，因而单纯依靠外部荷载抑制冻胀是不现实的。
2.2.2渠基土的冻胀特征
对于均质土渠道，冻胀在渠道断面上的分布一般分为四种类型：
（1）地下水位低于渠底，但小于临界距离，渠道冬季负温期间不行水且无积水，一般为渠底冻胀量最大，渠顶最小或无冻胀量出现，渠坡由下向上逐渐减小，其冻胀变形如图示。当阴阳坡向明显时，阴坡冻胀量最大，渠底次之，阳坡冻胀量最小；
（2）地下水位高于渠底，冬季渠道行水或渠底积水，由于渠水表面结冰后具有保温作用，渠低及渠坡冰冻面以下冻胀量较小或不出现冻胀，渠道两坡则由于土体含水量较高和水分迁移的补给水源，在冰面之上一定范围内冻胀量最大。当冰面以上渠堤较高时，渠坡上部可能不会出现冻胀，冰面处的冻胀也将受冰层的限制，其冻胀变形如图示；
（3）地下水位在临界距离以下时，断面上各点的冻胀量取决于土体中含水量的高低，一般只在渠底和坡下部发生轻微陈胀或无冻胀，对衬砌体的破坏作用不大；
（4）渠顶有大量外水补给，如冬灌田间渗水、降雨或地下水位接近坡顶的穿山渠道等，这种情况下，渠坡上部冻胀量将大于下部，或上下冻胀量分布比较均匀，但此时渠底一般有一定深度的积水，故渠底冻胀量最小或不发生冻胀，其冻胀变形如图示。
渠底冻胀量最大渠坡由下向上逐渐减小的冻胀变形示意图
渠道冰面以上渠堤较高时冰面处的冻胀受冰层限制的冻胀变形示意图
地下水位接近坡顶时渠坡冻胀变形示意图
渠基土发生冻胀变形后，在消融期表面又逐渐回沉。在某些情况下，冻胀变形可全部复原，甚至出现微沉陷量。但有时冻胀变形不能完全复原，而有一定的残余变形。残余变形值与最大冻胀量有关，大量观测试验资料表明，冻胀量小于2～3cm时，融化期末的残余变形很小或为零，不会引起渠道衬砌体的逐年累积变形而最终导致破坏。
2.3渠道防渗防冻胀主要技术措施
混凝土衬砌渠道是否产生冻胀破坏，其破坏程度如何，主要取决于渠床的土质条件、土体含水量、负温条件及工程结构型式等因素。如果采取措施消除或改善其中一个因素，就可以减轻或防止衬砌结构的冻胀破坏。实践证明，混凝土衬砌渠道的冻胀破坏防治，应针对产生冻胀的因素，结合工程具体条件，从渠系规划布置、渠基处理、衬砌材料与结构型式、施工质量和运行管理等方面着手，全面考虑，采用适宜的防治冻害措施。
2.3.1回避措施
回避冻胀措施是在渠道工程规划设计时，注意避开出现较大冻胀量的自然条件；或者在冻胀性土地区，采用回避冻胀的结构措施，防止冻害发生。
（1）避开较大冻胀的自然条件
①在渠道规划选线时，宜结合常规要求，尽可能避开粘土、粉质土壤、淤土地带和松软土层等地段，选择透水性较强（如砂砾石）的不易产生冻胀的地段。
②避开地下水位高（特别是有傍渗水补给）的地段，使渠底冻结层控制在地下水对冻胀的临界影响深度以上；冬季不输水渠道尽可能采用填方渠道。
③渠线尽可能布设在地形较高的脊梁地带，避免渠道两侧有地面水（降水或灌排水）入渠；在有坡面傍渗水和地面回归水入渠的渠段，尽量做到渠、路、沟相结合，或者专设排水设施。
④沿渠道外两侧应规划布置林带，树木有排水作用，树根对土壤能起加固和垫层作用，可以改善渠床土基，如柳树根能改变渠基土壤结构，可使强冻胀性的细粒土，改变为弱冻胀性或非冻胀性的有须根的网状土，有利于防冻害。但植树距衬砌防渗结构应有一定距离。
（2）回避冻胀的结构措施
①埋入措施。将渠道构造作成涵或管埋没在冻结深度以下的措施，即采用暗渠（管）输水。采用埋入措施可以避免冻胀力、热作用力等的作用，是一种可靠的防冻胀措施，并且占地很少，水量损失最小，管理维护简单方便，便于交通和机耕。但造价较高，且需要一定的水头。
②置槽措施。将渠槽侧壁全部或部分设置于地面以上, 避免侧壁与土接触以回避陈胀。一般渠槽断面为矩形，槽侧回填土高度应小于槽深的1/3，并在渠槽底部设置非冻胀性土置换层。常用的有预制混凝土矩形槽、现浇混凝土矩形槽和浆砌石矩形槽。这种渠槽施工简单方便，适用于中小型填方渠道上，是—种较为经济的防治冻害措施。
③架空渠槽。用桩、墩等构筑物支撑渠槽，使槽体与基土脱离，避开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。这种措施形似渡槽，占地少，易于适应各种地形条件，不受水头和流量大小的限制，管理维护方便，但造价较高，适用于渠基土冻胀量较大的情况。
2.3.2削减措施
当渠基土冻胀量较大，且渠床在冻胀融沉的反复作用下，可能产生冻胀累积或残余变形倩况时，可采用适宜的削减冻胀的措施，将渠基土的最大冻胀量削减到衬砌结构允许冻胀位移范围内。
①置换措施。在冻结深度内将衬砌板下的冻胀性土换成非冻胀性土。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分向表层冻结区迁移，所以砂砾石垫层能有效地减少冻胀，防止冻害现象的发生。
②保温措施。在渠道衬砌体下铺设隔热保温层，阻隔大气与渠基土的热量交换，提高衬砌体下基土温度，消减或消除冻胀，防止发生冻害。保温材料宜采用憎水性材料，常用的隔热保温材料有膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、聚苯乙烯泡沫板、硬质聚氨酯烯泡沫板和高分子防渗保温卷材等。根据试验资料，1cm厚的聚苯乙烯泡沫塑料保温层相当于14cm厚填土的保温效果。
③压实措施。采用压实措施提高渠床土密度以降低冻胀量是一种简单易行的方法。压实法可使土的干密度增加、孔隙率降低、透水性减弱，从而减小渠基土的冻胀变形。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，据此，可以通过渠床的压实处理，来达到防止冻害的目的。试验证明，当土的饱和度一定时，土的冻胀性随干密度的增加而下降。
④隔水与排水措施。采用塑料薄膜、油毡、膨润土防水毯、复合土工膜等，设置隔水层，隔断渠道渗水、大气降水和地下水等对冻结层的补给，从而削减或消除冻胀。当地下水位高于渠底，或地下水位虽不很高，但渠基土透水性差，渠道的渗漏水和浸入渠基的雨水不能很快渗入基层深处时，应根据渠道所处的地形和水文地质条件，按不同情况设置排水设施，以达到排泄畅通、地基疏干、冻结层无水源补给的目的。
2.3.3结构措施
结构措施就是在设计渠道断面和衬砌结构时，采用合理的形式和尺寸，使其具有削减、适应或回避冻胀的能力。
①适应不均匀冻胀能力较优的渠道断面形式有U形、弧形底梯形和弧形坡脚梯形等，小型渠道宜采用U形断面，中型渠道宜采用弧形底梯形断面，大型渠道宜采用弧形坡脚梯形断面。
②当地下水位较深且无外水源侵入渠基时，采用混凝土板膜复合衬砌防渗结构，具有很好的防冻胀效果。
③对于大中型混凝土衬砌渠道，还可采用架空梁板式（预制∏形板）、预制空心板式、楔形板、肋梁板以及新型连锁板衬砌结构形式等结构型式[5]，具有削减冻胀变形能力，比矩形板的抗冻胀能力强。
2.3.4管理措施
运行管理不善会加重混凝土衬砌渠道的冻害破坏。如冬季来临时，渠道停水过迟，渠基土中水分不及时排除即开始冻结；对冻胀裂缝不及时修补，造成裂缝年复一年地扩大、变形累积，以致破坏。因此，必须加强运行管理，做好以下管理工作。
①冬季不行水渠道，在基土冻结前停水，并在停水后及时排除渠内和两侧排水沟内的积水；
②冬季行水渠道，在负温期间宜连续行水，并保持在最底设计水位以下运行；
③每年进行一次衬砌体的裂缝修补，使砌块缝间填料保持原设计状态，衬砌体封顶保持完好，不允许有外水流入衬砌体背后；
④及时维修排水设施，保证排水通畅。