明渠衬砌冻胀破坏成因分析及防冻胀措施研究

渠道的走向 不 同，使 各 断 面 的 日 照、风 速 和 温 度 状 况 有 很大差别。南北走向的渠道阴 阳 两 坡 条 件 相 似，冻 结 规 律 大 致相同，但由于坡顶为二向冻结，受风的 作 用 较 大，含 水 量 较 小，表现为渠坡上部冻深最大，渠底最小，阴 坡 冻 深 略 大 于 阳 坡 10 % ～ 20 % ； 东西走向 的 渠 道 由 于 日 照 的 影 响，阴 阳 两 坡 冻结与冻深差别 明 显，阴 坡 开 始 冻 结 日 期 比 阳 坡 早，冻 结 深 度也较大。 1． 1． 5 衬砌材料和结构形式
大，其冻胀性也增大。粒径 ＜ 0 ． 01 ～ 0 ． 05 mm 时 就 会 发 生 冻 胀，粒径为 0 ． 05 ～ 0 ． 002 mm 时，具 有 最 大 的 冻 胀 性，当 粒 径 ＜ 0 ． 002 mm 时，冻胀性相应减弱。在 自 然 条 件 下，不 同 土 壤 的冻胀量顺序如下： 粉质粘土 ＞ 壤土 ＞ 砂壤土 ＞ 重粘土 ＞ 砂 土 ＞ 砂砾。 1． 1． 2 含水率
冬季输水结 束 后 渠 道 内 无 水，地 下 水 位 按 最 高 值 考 虑， 选取断面上不同位置的 7 个 控 制 点，分 别 进 行 计 算。断 面 控 制点的位置见图 1。 2． 2 冻胀量计算
胶东地区引黄 调 水 输 水 明 渠 段 冻 胀 量 的 计 算，根 据《渠
［收稿日期］ 2012 － 04 － 19 ［作者简介］ 曹倩（ 1986 － ） ，女，山东聊城人，助理工程师，主要从事安全生产与质量监督工作。
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第 34 卷 第 4 期
地下水
2012 年 7 月
地基土的冻 胀 及 衬 砌 的 冻 胀 破 坏，加 剧 水 分 进 入 衬 砌 体 内 部，从而使衬砌 体 产 生 剥 蚀。从 结 构 方 面 来 说，渠 道 衬 砌 是 修筑在渠道基土 上 的 薄 壁 轻 型 结 构，在 冻 胀 作 用 下，各 部 位 的受力不均匀，衬砌体适应能力不强，也 易 使 砌 体 破 坏，如 衬 砌 板 断 裂 ，坡 板 滑 塌 等 。 1． 2 渠道冻胀破坏成因分析
渠道边坡衬砌层和其下冻土层之间冻结约束的存在与否 是边坡衬砌层会 不 会 受 冻 胀 力 的 必 要 条 件，若 此 约 束 存 在， 则可能出 现 冻 胀 力，若 此 约 束 解 除，则 其 不 受 冻 胀 力 作 用。 现浇混凝土和预 制 混 凝 土 板 属 于 刚 性 衬 砌 材 料，板 体 较 薄， 具有较强的抗压 强 度，但 抗 拉 强 度 较 低，适 应 拉 伸 变 形 和 不 均匀变形的能力低。因此，当衬 砌 板 与 渠 坡 间 不 存 在 或 存 在 较小的冻胀力的 情 况 下，坡 面 衬 砌 混 凝 土 板 将 向 外 推 移； 当 衬砌板与渠坡间存在较大的冻胀 力 的 情 况 下，就 会 在 坡 面 下 部 发 生 折 断 、隆 起 、架 空 等 形 式 的 破 坏 。
从材料方面 说，渠 道 衬 砌 的 材 料 具 有 一 定 的 孔 隙，又 经 常处于水环境中，其 内 部 总 是 含 有 一 定 的 水 分，在 低 温 下 结 成冰，体积会发生 膨 胀，当 这 种 作 用 引 起 的 应 力 超 过 材 料 强 度时，就会使衬砌 体 表 面 产 生 一 定 数 量 的 小 裂 缝，再 经 过 数 次的周期性冻融 循 环，衬 砌 裂 缝 的 扩 展 增 强 了 渗 漏，加 快 了
梯形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的主要原因是混凝土衬砌 阴坡和阳坡板与渠底板固结，而且 渠 道 混 凝 土 衬 砌 体 被 渠 床 冻土约束，当气温 降 到 结 冰 点 以 下 时，首 先 在 衬 砌 板 和 土 层 接触面间的孔隙 中 产 生 冰 晶 体，在 毛 细 力 作 用 下，土 体 中 的 水分向冰晶体 迁 移，使 冰 晶 体 越 来 越 大。温 度 继 续 降 低，在 渠基土孔隙中也 产 生 了 冰 晶 体，同 样 在 毛 细 力 作 用 下，更 深 部位土体中 的 水 分 向 上 部 迁 移，上 部 土 体 中 冰 晶 体 逐 渐 增 大，土体冻胀更大，并 形 成 冻 土 层，土 体 体 积 膨 胀 表 面 隆 起， 随气温的再降低，冻土层的深度逐渐加 深，冻 胀 量 逐 渐 增 大， 冻胀力逐渐增大，致使混凝土衬砌 板 结 构 内 产 生 了 较 大 的 弯 矩和较大的拉应力、压应力，当阴坡板、渠 底 板 和 阳 坡 板 受 到 的弯矩、拉应力和 压 应 力 超 过 所 承 受 的 极 限 时，渠 道 混 凝 土 衬砌板就发生冻胀破坏。
从材料来说，渠 道 衬 砌 的 材 料 具 有 一 定 的 孔 隙，其 内 部 所含有一定的水分，在低温下结成冰，体 积 会 发 生 膨 胀，当 这 种作用引起的应力超过材料强度 时，就 会 使 衬 砌 体 表 面 产 生 一定数量的小裂缝。再经过数 次 的 周 期 性 冻 融 循 环，衬 砌 裂 缝的扩展增 强 了 渗 漏，加 快 了 基 土 的 冻 胀 及 衬 砌 的 冻 胀 破 坏。因此，渠 基 土 的 含 水 率 是 渠 道 砼 衬 砌 冻 害 的 决 定 性 因 素。渠基土含水 率 大，冻 胀 量 就 大； 含 水 率 小，冻 胀 量 就 小。 同时，地下水位的埋深也对渠 道 的 冻 胀 有 重 要 的 影 响。山 东 省水科院经试验认为，对土体冻深 有 影 响 的 地 下 水 埋 深 范 围 （ L） 应≤土壤毛细水上升高度（ H） 与土体冻深（ Z） 之和，即 L ≤H + Z。 1． 1． 3 温度
2 冻胀分析计算
从冻胀破坏 成 因 的 分 析 中 可 以 看 出，地 下 水 位、渠 道 走 向、渠床土壤的性质及运行工况决 定 着 渠 床 土 壤 冻 胀 位 移 的 大小。因此，胶东调水输水明渠 工 程 根 据 沿 线 不 同 的 土 壤 地 质、地下水 位 值、渠 道 走 向 等 进 行 分 析，取 典 型 断 面 进 行 计 算。 2． 1 计算条件
［关键词］ 渠道； 衬砌； 冻胀破坏； 成因分析； 措施 ［中图分类号］ TV672 ［文献标识码］ B ［文章编号］ 1004 － 1184 （ 2012 ） 04 － 0173 － 03
山东省胶东调水工程位于我 省 胶 东 半 岛 北 部，渠 首 至 引 黄济青宋庄分水闸段为利用现的 引 黄 济 青 工 程，输 水 线 路 长 160 ． 5 km； 宋庄分水 闸 一 威 海 市 的 米 山 水 库 为 新 辟 线 路，输 水线路长 306 ． 703 km，是一项以输水为主，同时兼顾防洪、排 涝、灌溉等多功能于一体的长 距 离 跨 流 域 调 水 工 程。胶 东 地 区引黄调水工程输水明渠位于我 省 胶 东 半 岛 的 东 北 部，渠 首 位于昌邑市引黄 济 青 输 水 河 设 计 桩 号 160 + 500 处，输 水 明 渠沿莱州湾海岸，向 东 北 方 向 至 龙 口 市 的 黄 水 河 泵 站，输 水 线路全长 159 ． 609 km，途经昌邑、平度、莱州、招远、龙口共 5 个县级市。胶东调水工程输水明渠段工程位于暖温带季风 气候区，但具有明显的海洋性气候特征。多年平均气温 11 ℃ ～ 14℃ 无霜期为 200 ～ 220 d。多年（ 1956 ～ 2010 年） 平均降 水量 654． 0 mm 是我省降水量低值区。年平均蒸发量在 900 ～ 1 000 mm 之间，属于半干旱半湿润地区。处于季节性冻土 地区，地表层存有 冬 冻 春 融 的 冻 结 融 化 层，土 体 发 生 的 物 理 力学性质的挤压和减压变化，直接 影 响 着 上 部 建 筑 物 的 稳 定 性，如地表冻胀隆起、融化沉陷，导致基土 上 建 筑 物 受 到 不 同 程度的 破 坏。渠 道 冬 季 输 水，形 成 大 气 与 水 之 间 的 热 量 交 换，当水面负温时，即开始结冰，经过冰絮、岸冰、流冰、封 冻、 解冻等过程，流冰 中 的 冰 塞、冰 坝 和 壅 高 将 对 渠 道 上 建 筑 物 和渠道两侧起到 破 坏 作 用，产 生 的 渠 道 变 形、开 裂 和 滑 塌 现 象，严重影响了工 程 的 正 常 运 行 和 效 益 的 充 分 发 挥，大 大 降 低了渠道的使用寿命。
1 渠道砼衬砌冻胀破坏的影响因素及
成因分析
1． 1 影响因素 渠道冻胀破坏是由于渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌板，
从而使衬砌板也承受不均匀冻胀 变 形 的 作 用，当 衬 砌 体 内 弯 曲应力或剪应力 超 过 一 定 范 围 时，便 产 生 衬 砌 体 的 冻 胀、裂 缝鼓起、错位等 形 式 的 破 坏。根 据 施 工 现 场 看，造 成 渠 基 土 受冻引发衬砌不均匀冻胀破坏的影响因素主要有以下几点。 1． 1． 1 土质
2012 年 7ห้องสมุดไป่ตู้月 第 34 卷 第 4 期
地下水 Ground water
Jul. ，2012 Vol. 34 NO. 4
明渠衬砌冻胀破坏成因分析及防冻胀措施研究
曹 倩，孙 博，曹文京
（ 山东省胶东调水局，山东 济南 250010 ）
［摘 要］ 山东省胶东调水工程所在区域位 于 暖 温 带 季 风 气 候 区，有 明 显 的 海 洋 性 气 候 特 征，在 冬 季 引 水 时， 受到低温、冰凌影响对明渠衬砌工程产 生 冻 胀 破 坏，严 重 影 响 引 水 安 全。从 渠 道 的 冻 胀 原 因 入 手，寻 求 合 理 的 防 冻 胀措施。
介质温度愈 低，土 中 水 分 相 变 成 冰 愈 多，冻 胀 愈 强。 低 温时渠道输 水 使 大 量 水 分 渗 入 土 体，使 砌 体 下 土 体 水 分 增 大。冷空气的侵 袭，使 土 体 水 分 迁 移 引 起 分 凝 冰 层 产 生，导 致土体冻胀和融弱层的出现及冷 锋 面 的 变 化，破 坏 土 体 原 结 构。长期的低温，使 土 体 表 层 与 深 层 冷 暖 面 温 差 越 来 越 大， 冻结缘不断将未冻区域水分迁移 到 冰 凝 层，使 冻 结 缘 越 来 越 厚 ，在 地 下 水 位 较 高 地 域 更 严 重 。 1． 1． 4 走向