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【摘 要】结合多年的工作实践，对灌区输水工程冻害形成的原因及防治措施进行分析。
【关键词】输水工程冻害；形成原因；防治措施
我国北方地区，冬季寒冷，地表土壤冻结，水面结冰，绝大部分地区的冬季气温都要降到零下。负气温对于渠道防渗衬砌工程，如同其他土建工程一样，有着—定的破坏作用，把它统称为对渠道防渗衬砌工程的冻害。
1.冻害产生的原因
1.1渠道防渗材料的冻害破坏
渠道防渗材料具有一定的吸水性，又经常处在有水的环境中。因此材料内总有一定的水分，这些水分在负温下冻结成冰，体积发生膨胀。當这种膨胀作用引起的应力超过材料强度时，就会产生裂缝并增大吸水性，使第二个负温周期中结冰膨胀破坏的作用更为加剧。如此经过多个冻结——融化循环和应力的反复作用，最终导致材料的冻融破坏。这种破坏的形式，轻微的如混凝土表面砂浆层的剥蚀，严重的如砖砌体、三合土和拌制不良的混凝土的冻酥，结构工程完全破坏。
1.2渠道中水体冻冰造成防渗工程的破坏
当渠道因运行管理的要求，在负温期间遇水时，渠道内的水体将发生冻结。起初只是形成岸冰，在特别寒冷或严寒条件下，岸冰逐渐向中心扩大，逐步连成一体，表面封冻。此后，冰层逐渐加厚，对两岸衬砌产生冰压力，造成衬砌体的破坏，或者在冰推力作用下，砌块被推上坡，发生破坏性的变形。同时，当渠水面封冻时，上游流来的浮冰块或冰屑团，部分钻到冰面以下，当来冰量大于排冰能力时，冰块及冰屑团就将在某个断面的冰面下积累，减少过水断面，逐渐演变到断面的完全封堵，形成冰坝。此时，水流将漫溢渠顶，造成渠堤决口，或者水从衬砌体背后流入地下，带走基土中的细粒，造成渠床土壤中的空洞，使衬砌塌陷破坏。由于地基土壤冻胀和融沉，造成底板产生纵横向裂纹和隆起。裂缝宽度逐年增大，底板钢筋有的被拉断，有的在分缝处出现挤裂错位等现象，较小的底板可能整体上抬，使工程不能正常运行，甚至整个建筑物失去运行能力。
1.3渠道基土冻融对防渗工程的破坏
由于渠道水的渗漏，地下水和其他水泥补给，渠道基土中含水量比较高。在冬季负温作用下，土壤中的水分发生冻结而造成土体膨胀，使混凝土衬砌开型、隆起而折断。在春季消融时又造成渠床表土层过湿，使土体失去强度和稳定性，导致衬砌体的滑塌。如图1所示挡土墙的破坏，挡土墙基础的冻土融化后，土的含水量增大，地基承载力降低，在水平土压力和水压力的作用下，当挡土墙前趾处的地基应力超过地基承载力时，挡土墙就会前倾。前倾后的挡土墙重心前移，加大了挡土墙前趾对地基的压力。如此通过几个冬春季节后，挡土墙的前倾程度加大，甚至倾倒。同时，地基反复冻融使抗剪强度降低，墙底面与基础之间的摩擦系数降低，破坏了挡土墙的抗滑稳定性，使得挡土墙的移动，如图2所示。
2.冻害的防治
防渗工程是否产生冻胀破坏，其破坏程度如何，取决于土冻结时水分迁移和冻胀作用。而这些作用又和当时当地的土质、土的含水量、负温度及工程结构等因素有关。若采取措施消除或改善其中一个因素，就有可能防止防渗工程的冻胀破坏。
2.1回避冻胀
回避冻胀是在渠道衬砌工程的规划设计中，注意避开出现较大冻胀量的自然条件；或者在冻胀粘土区，注意避开冻胀对渠道衬砌工程的作用。例如，采用埋入、置槽和架空渠槽等措施。
2.2削减冻胀
当估算渠道最大冻胀变形值较大，且渠床在冻胀融沉的反复作用下，可能产生冻胀累积或后遗性变形情况时，可采用适宜的削减冻胀的措施，将渠床基土的最大冻胀量削减到衬砌结构允许变位范围内。
2.2.1置换法。在冻结深度内将衬砌板下的冻胀性土换成非冻结性材料的一种方法，通常又称铺设砂砾石垫层。砂砾石垫层不仅本身无冻胀，而且能排除渗水和阻止内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。为完成消除冻胀的影响，可将冻土深度全部置换，但用砂砾石置换后，冻结深度会比原地基扩大，若置换到冻不到的深度，工程量必然增加很多，因此当冻结深度较大时，应根据冻胀强度沿冻深的分布状况和衬砌结构的允许变位值，计算渠床各部位的置换深度，确定置换断面。
2.2.2隔热保温。将隔热保温材料布设在衬砌体背后及地表面，以减少或消除寒冷因素，并可减少置换深度，隔断下层的水分补给，从而减轻或消除渠床的冻深和冻胀。在冬季行水的渠道，水位按等流量控制时，在设计最小水位以下，可按水（冰）保温考虑，在水（冰）面以上采用隔热材料保温，以达到防冻胀的目的。
隔热保温层的厚度，可根据基土土质、含水、设计冻深或冻结指数，通过热工计算加以确定。对中小型渠道，聚苯乙烯泡沫板的厚度可按设计量深度的1/10一1/15取用。冻胀量大的部位取大值，冻胀量小于允许变性值的部位可不设泡沫板。
2.3优化结构
在设计渠道断面和衬砌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。各地通过多年科学实验和生产实践，提出了一些适合当地条件的防渗、防冻胀断面和结构形式。断面形状有梯形、弧形坡脚梯形、弧形、矩形。也有的矩形渠、底面为砌石，两侧为预制空箱内填砂砾石的挡墙形式。
3.小结
由以上内容可以看出，冻结主要是由于土中水分迁移，体积膨胀而造成的。土冻胀的强弱主要取决于土的颗粒组成、土中水分补给来源、土冻结时的负温条件和外荷载的大小。这些方法，经过多年的工程实践运行，效果良好，没有出现异常现象。对具有类似问题的工程，是值得推广的维修改造措施。
参考文献
[1]刘洪友，徐万江，崔润利.刍议讷全灌区渠系建筑物冻害分析及防治措施[J].黑龙江水利科技，2010（05）：87.
[2]陈益峰，周创兵，毛新莹，胡冉.水布垭地下厂房围岩渗控效应数值模拟与评价[J].岩石力学与工程学报，2010（02）：308-316.
[3]花俊杰，周伟，常晓林，周创兵.堆石体应力变形的尺寸效应研究[J].岩石力学与工程学报，2010（02）：328-333.
【关键词】输水工程冻害；形成原因；防治措施
我国北方地区，冬季寒冷，地表土壤冻结，水面结冰，绝大部分地区的冬季气温都要降到零下。负气温对于渠道防渗衬砌工程，如同其他土建工程一样，有着—定的破坏作用，把它统称为对渠道防渗衬砌工程的冻害。
1.冻害产生的原因
1.1渠道防渗材料的冻害破坏
渠道防渗材料具有一定的吸水性，又经常处在有水的环境中。因此材料内总有一定的水分，这些水分在负温下冻结成冰，体积发生膨胀。當这种膨胀作用引起的应力超过材料强度时，就会产生裂缝并增大吸水性，使第二个负温周期中结冰膨胀破坏的作用更为加剧。如此经过多个冻结——融化循环和应力的反复作用，最终导致材料的冻融破坏。这种破坏的形式，轻微的如混凝土表面砂浆层的剥蚀，严重的如砖砌体、三合土和拌制不良的混凝土的冻酥，结构工程完全破坏。
1.2渠道中水体冻冰造成防渗工程的破坏
当渠道因运行管理的要求，在负温期间遇水时，渠道内的水体将发生冻结。起初只是形成岸冰，在特别寒冷或严寒条件下，岸冰逐渐向中心扩大，逐步连成一体，表面封冻。此后，冰层逐渐加厚，对两岸衬砌产生冰压力，造成衬砌体的破坏，或者在冰推力作用下，砌块被推上坡，发生破坏性的变形。同时，当渠水面封冻时，上游流来的浮冰块或冰屑团，部分钻到冰面以下，当来冰量大于排冰能力时，冰块及冰屑团就将在某个断面的冰面下积累，减少过水断面，逐渐演变到断面的完全封堵，形成冰坝。此时，水流将漫溢渠顶，造成渠堤决口，或者水从衬砌体背后流入地下，带走基土中的细粒，造成渠床土壤中的空洞，使衬砌塌陷破坏。由于地基土壤冻胀和融沉，造成底板产生纵横向裂纹和隆起。裂缝宽度逐年增大，底板钢筋有的被拉断，有的在分缝处出现挤裂错位等现象，较小的底板可能整体上抬，使工程不能正常运行，甚至整个建筑物失去运行能力。
1.3渠道基土冻融对防渗工程的破坏
由于渠道水的渗漏，地下水和其他水泥补给，渠道基土中含水量比较高。在冬季负温作用下，土壤中的水分发生冻结而造成土体膨胀，使混凝土衬砌开型、隆起而折断。在春季消融时又造成渠床表土层过湿，使土体失去强度和稳定性，导致衬砌体的滑塌。如图1所示挡土墙的破坏，挡土墙基础的冻土融化后，土的含水量增大，地基承载力降低，在水平土压力和水压力的作用下，当挡土墙前趾处的地基应力超过地基承载力时，挡土墙就会前倾。前倾后的挡土墙重心前移，加大了挡土墙前趾对地基的压力。如此通过几个冬春季节后，挡土墙的前倾程度加大，甚至倾倒。同时，地基反复冻融使抗剪强度降低，墙底面与基础之间的摩擦系数降低，破坏了挡土墙的抗滑稳定性，使得挡土墙的移动，如图2所示。
2.冻害的防治
防渗工程是否产生冻胀破坏，其破坏程度如何，取决于土冻结时水分迁移和冻胀作用。而这些作用又和当时当地的土质、土的含水量、负温度及工程结构等因素有关。若采取措施消除或改善其中一个因素，就有可能防止防渗工程的冻胀破坏。
2.1回避冻胀
回避冻胀是在渠道衬砌工程的规划设计中，注意避开出现较大冻胀量的自然条件；或者在冻胀粘土区，注意避开冻胀对渠道衬砌工程的作用。例如，采用埋入、置槽和架空渠槽等措施。
2.2削减冻胀
当估算渠道最大冻胀变形值较大，且渠床在冻胀融沉的反复作用下，可能产生冻胀累积或后遗性变形情况时，可采用适宜的削减冻胀的措施，将渠床基土的最大冻胀量削减到衬砌结构允许变位范围内。
2.2.1置换法。在冻结深度内将衬砌板下的冻胀性土换成非冻结性材料的一种方法，通常又称铺设砂砾石垫层。砂砾石垫层不仅本身无冻胀，而且能排除渗水和阻止内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。为完成消除冻胀的影响，可将冻土深度全部置换，但用砂砾石置换后，冻结深度会比原地基扩大，若置换到冻不到的深度，工程量必然增加很多，因此当冻结深度较大时，应根据冻胀强度沿冻深的分布状况和衬砌结构的允许变位值，计算渠床各部位的置换深度，确定置换断面。
2.2.2隔热保温。将隔热保温材料布设在衬砌体背后及地表面，以减少或消除寒冷因素，并可减少置换深度，隔断下层的水分补给，从而减轻或消除渠床的冻深和冻胀。在冬季行水的渠道，水位按等流量控制时，在设计最小水位以下，可按水（冰）保温考虑，在水（冰）面以上采用隔热材料保温，以达到防冻胀的目的。
隔热保温层的厚度，可根据基土土质、含水、设计冻深或冻结指数，通过热工计算加以确定。对中小型渠道，聚苯乙烯泡沫板的厚度可按设计量深度的1/10一1/15取用。冻胀量大的部位取大值，冻胀量小于允许变性值的部位可不设泡沫板。
2.3优化结构
在设计渠道断面和衬砌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。各地通过多年科学实验和生产实践，提出了一些适合当地条件的防渗、防冻胀断面和结构形式。断面形状有梯形、弧形坡脚梯形、弧形、矩形。也有的矩形渠、底面为砌石，两侧为预制空箱内填砂砾石的挡墙形式。
3.小结
由以上内容可以看出，冻结主要是由于土中水分迁移，体积膨胀而造成的。土冻胀的强弱主要取决于土的颗粒组成、土中水分补给来源、土冻结时的负温条件和外荷载的大小。这些方法，经过多年的工程实践运行，效果良好，没有出现异常现象。对具有类似问题的工程，是值得推广的维修改造措施。
参考文献
[1]刘洪友，徐万江，崔润利.刍议讷全灌区渠系建筑物冻害分析及防治措施[J].黑龙江水利科技，2010（05）：87.
[2]陈益峰，周创兵，毛新莹，胡冉.水布垭地下厂房围岩渗控效应数值模拟与评价[J].岩石力学与工程学报，2010（02）：308-316.
[3]花俊杰，周伟，常晓林，周创兵.堆石体应力变形的尺寸效应研究[J].岩石力学与工程学报，2010（02）：328-333.