引水干渠衬砌结构冻胀破坏分析及防冻胀设计

张晔

摘要：渠道作为水利工程的基础设施之一，随着使用年限的增长，可能因冻胀破坏出现渗水现象。以新疆西泉水库引水干渠为实例，介绍了渠道衬砌结构冻胀破坏的影响因素，包括土基质、水分、地下水水位等，并根据渠道衬砌结构冻胀破坏特点，采取聚合物柔性增强涂层防冻胀措施，取得了良好防冻胀效果，可为类似工程防冻胀设计提供技术参考。

关键词：冻胀破坏;防冻胀设计;衬砌结构;引水干渠

中图法分类号：TV67

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.07.007

我国新疆维吾尔族自治区地广人稀，第一产业在地区经济中所占比重较大，因此建设规模化、集约化农场和灌区成为当地农业发展方向。引水渠道是农场和灌区的重要基础设施，但受制于施工技术且缺乏日常管理，渠道渗漏已经成为新疆很多老旧灌溉系统面临的主要问题，究其原因主要是冻胀破坏，因此必须要做好渠道防冻胀设计。

1 工程概况

西泉水库是新疆阜康市土墩子农场主要的灌溉水源，控制灌溉面积达3 670 hm2，占农场总面积的86%。西泉水库于20世纪80年代建成并投入使用，目前已运行40 a。水库原设计总库容约为150万m3，现降至110万m3。西泉水库至土墩子农场的引水干渠总长约18.4 km，据统计，引水干渠单位时间的渗漏量约达到总灌溉用水的18%，大部分为冻胀裂缝渗漏，水资源浪费严重。经实地调查，需对长5.75 km的引水干渠进行防渗改建，渠道设计流量5.0m3/s，工程级别为5级。

2 干渠衬砌冻胀影响因素分析

经过众多学者研究，影响渠道衬砌冻胀破坏程度的主要因素有土基质、水分、地下水水位等，本文对各因素进行分析说明。

2.1 土基质影响分析

（1）土基质的分散性。土的分散性主要指粒径和级配，两者直接关系到毛细力，对水分迁移影响较大，进而影响地基冻胀性[1]。图1为不同土基粒径下冻胀强度和水分迁移聚集的变化曲线。由图可知：①粒径由0.1 mm降至0.005 mm时，土基冻胀强度和水分迁移聚集程度急剧上升并达到最大值;②粒径由0.005 mm降至0.001 mm时，土基冻胀强度和水分迁移聚集程度又急剧下降[2]。因此得出粒径尺寸在0.01～0.005 mm范围内，土基的冻胀性最强，水分子迁移聚集程度也最大。经勘察，西泉水库引水干渠土基由级配不良（良好）砾、砂砾石构成，粒径范围在0.01～0.005 mm之间的砾、砂砾石重量超过总土重的10%，即可断定为冻胀性土基，土基的分散性是土墩子农场引水干渠冻胀破坏最主要的原因。

（2）黏性土矿物组成。Ca2+、Na+是土壤中含量最高的矿物成分，因此盐渍土和非盐渍土的冻胀量也会出现差别[3]。研究人员从土墩子农场引水干渠基土中选取样土，将同一地段的样土分为两组：一组是天然样品（编号01和02），另一组是对应的经洗盐处理后样品（编号01’和02’），两组样品冻胀结果见表1。样品土经洗盐处理后，其冻胀量显著提高，幅度超过120%。通过更细致地研究发现，Na+可有效阻止水分子迁移，降低土体冻胀量。土墩子农场引水干渠基土中Na+较多，所以对冻胀性影响较小，可以忽略不计。

2.2 水分条件影响

利用式（1）计算了项目区10种基土的临界含水量，估算偏差和试验结果偏差均能控制在2.0%以内，说明公式准确度很高。经现场测量，冬季项目区渠道基土含水量较大，极易引起地基冻胀破坏（冻胀破坏含水量临界值为25%），因此地基含水量是造成土墩子农场引水干渠冻胀破坏的重要因素之一。

2.3 地下水位影响分析

地下水是土体冻胀自由水的重要补充来源，通过分析地下水埋深Hw和土体冻胀率η的关系，绘制出图2的拟合曲线，由图可知：①当地下水埋深由0 mm下降至50 mm时，土体冻胀率由30%急剧下降至10%;②随着地下水埋深的进一步下降，土体冻胀率由8%逐渐下降至4%左右，并逐步稳定[5] 。

西泉水庫引水干渠沿线地下水埋深一般在300 mm以下，因此地下水对土墩子农场引水干渠地基冻胀量影响较小，在此不作考虑。

2.4 梯形渠道冻胀力学模型分析

土墩子农场干渠横断面为梯形，底边长度100 cm，上边长度380 cm，深度110 cm，边坡比为1：1.5。由经验可知，梯形渠道坡脚处和渠底衬砌受土体冻胀影响最大。实地勘察也发现土墩子农场引水干渠裂缝部位大多位于渠道底部，因此可判断其破坏形式如图3所示[6]。

由于阴面和阳面区别很大，因此渠底面会受力不均，可将其受力结构简化为简支梁，其支座反力由坡板反力RA、RA'及轴向推力N、N'合力求出（见图4）。有研究表明，渠道弯矩最大处位于渠底中部略微靠近阴坡部位;剪切力最大处位于渠坡中间偏下部位，靠近渠底的1/3处[7]。

3 干渠衬砌防冻胀防渗结构层设计分析

3.1 防冻胀防渗方案选择

经过现场分析，结合渠道冻胀破坏特点，该项目中渠道可采取的防冻胀及防渗结构层有两种：沥青混凝土和聚合物柔性增强涂层。

（1）沥青混凝土结构层。该结构层是在稳定平整的渠基上用沥青混凝土代替普通混凝土进行衬砌施工，整个结构由外到里依次为封闭层、沥青混凝土层和土（石）渠基[8]。

（2）聚合物柔性增强涂层。该结构层是在渠道开挖面的基础上，铺设80～100 mm的干硬性砂浆层，碾压平整后，再铺设一层具有良好弹性和强度的聚合物柔性增强涂层。该涂层可适应冻胀变形且基底结构防渗功能不变。该项目设计使用的涂层防水涂料以丙烯酸为主要原料，主要参数性能见表2[9]。

经对比分析，聚合物柔性增强涂层施工简单，成本较低，且集防冻胀和防渗为一体;对比水泥类材料，其延伸性、耐久性、柔韧性均有很大提升，因此西泉水库引水干渠防冻胀防渗结构层选用聚合物柔性增强涂层方案。

3.2 聚合物柔性增强涂层设计

（1）干硬性砂浆层设计。干硬性砂浆层在此充当的是过渡层，设计阳面厚80 mm，阴面厚100 mm，材料配比为水泥：砂子：水=1：6：1，铺设完成后碾压平整，密实率应大于95%。

（2）聚合物柔性增强涂层设计。干硬性砂浆层施工完成后，在其上喷撒一层厚度为1.0～1.5 mm的聚合物柔性增强涂层（见图5）。聚合物柔性增强涂层结构虽然未能有效降低渠道衬砌结构的冻胀量变化，但可以保证不会产生冻胀裂缝，进而保证渠道防渗性能。

4 结语

经干渠衬砌冻胀影响因素分析，得出造成西泉水库引水干渠冻胀破坏的主要原因为土基分散性和地基含水量。同时，渠道受力模型也反映出最易产生冻胀破坏部位是渠道底部及渠坡中间偏下。通过对比，确定引水干渠防冻胀防渗方案为聚合物柔性增强涂层。该水库引水干渠部分段经聚合物柔性增强涂层处理后，彻底解决了渠道渗漏问题。经3a运行，渠道衬砌面未发现贯穿裂缝及脱皮现象，日常保养仅在涂层薄弱部位补刷即可。

参考文献：

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[3]程满金，申利刚，步丰湖，等，聚苯乙烯保温板在衬砌渠道防冻胀中的应用研究[J].灌溉排水学报，2011，30（5）：22-27.

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[5]郭瑞，王正中，牛永红，等.基于TCR传热原理的混凝土复合保温衬砌渠道防冻胀效果研究[J]农业工程学报，2015，31（20）：101-106.

[6] 罗帆.岳普湖县某渠道防冻胀设计[J].水利技术监督，2014，22（5）：55-56.

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[8] 马瑞忠.聚苯乙烯保温板在渠道防冻中的应用[Jl.水利规划与设计，2016（1）：96-97.

[9]程满金，申利刚，步丰湖，等.聚苯乙烯保温板在衬砌渠道防冻胀中的应用研究[J].灌溉排水学报，2011，30（5）：22-27.