第五节 防渗工程的冻胀及防治措施

一、冻胀产生原因及冻害类型

在季节性冻土地区，细粒土壤中的水分在冬季负温条件下结成冰晶，使土壤体积膨胀，地面隆起，这种现象称为土壤的冻胀。在渠道衬砌的条件下，因衬砌层约束了土壤的冻胀变形而产生了巨大推力，称为冻胀力。衬砌层和冻土黏结在一起，还会产生切向冻胀力。在冻胀力的作用下，衬砌护面会遭受破坏。由于渠道断面各部位接受太阳辐射不均匀，各处温度就不同，土壤的冻深和冻胀量也不同，一般渠底和阴坡的冻胀量会大于阳坡。渠床渗漏和地下水上升毛管水的补给影响，使渠床下部土壤的含水量高于上部，也增加了下部土壤的冻胀量。因而，渠道的冻胀破坏以渠底和渠坡最为严重。

负气温对于渠道防渗衬砌工程的破坏作用按性质分为三种类型：

（1）包括渠道防渗材料的冻融破坏。渠道防渗材料具有一定的吸水性，又经常处于有水的环境中，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，体积发生膨胀。当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。

（2）渠道中水体结冰造成防渗工程的破坏。当渠道因运行管理的要求，在负温期间输水时，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，对两岸衬砌体产生冰压力，造成衬砌体的破坏，或者在冰推力作用下，砌体被推上坡，发生破坏性的变形。

（3）渠道基土冻融对防渗工程的破坏。由于渠道水的渗漏，地下水和其他水源补给，渠道基土中含水量比较高。在冬季负温作用，土壤中的水分发生冻结而造成土体膨胀，使混凝土衬砌开裂、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，导致材料砌体的滑塌。

一般情况下，对于我们常见的混凝土衬砌，其破坏形式主要有鼓胀及裂缝、隆起架空、滑塌以及整体上抬等，其他刚性衬砌发生的冻害破坏形式与水泥混凝土相似。

二、冻胀防治措施

防渗工程产生冻胀破坏与当时当地的土质、土的含水量、负温度及工程结构等因素有关。实际上，采用单一措施达到不冻胀是很困难的。实践证明，防治防渗工程的冻害要从渠系规划布置、渠床处理、排水、保温衬砌的结构形式、材料、施工质量、管理维修等方面着手，全面考虑，采用适宜防冻害的措施。现将实践中一些有效的冻害防治措施介绍如下。

1.尽量避开较大冻胀量的自然条件

（1）尽可能避开黏土、粉质土壤、松软土层、淤土地带、沼泽和高地下水位的地段，选择透水性较强的（如砂砾石）不易产生冻胀的地段，或地下水位埋藏较深的地段。

（2）尽可能采用填方渠道。

（3）尽可能使渠线走在地形较高的脊梁地带，避免渠道两侧有地面水（降水或管排水）入渠。

（4）在有坡面旁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。

（5）沿渠道外两侧应规划布置林带，可改善土基，有利于防冻害。

渠道防渗工程环境同时具备下列条件时，应进行防冻胀设计：①土中粒径小于0.05mm的土粒含量大于6%（重量比）；②标准冻深大于0.14m；③冻结初期土的含水量大于9/10的塑限含水量，或地下水位至渠底的埋深小于土的毛管水上升高度加设计冻深。

2.选取合理的防渗结构以适应冻胀变形

（1）在弱冻胀地区采用预制混凝土板衬砌渠道时，对冻胀变形有较好的适应性。采用现场浇筑混凝土板衬砌渠道时，应在渠坡下部和渠底中部设变形缝，以适应土壤的冻胀变形。

（2）在小型渠道上，可采用U形渠道，以提高抵抗冻胀破坏的能力。

（3）在强冻胀地区，可采用柔性膜料衬砌渠道，以适应土壤的冻胀变形。

3.采取适当的措施处理渠道防渗结构

（1）在防渗层下面设置保温层，保温材料的强度、压缩系数、吸水率、耐久性等要符合工程设计要求。大型渠道的保温层厚度，应根据渠道走向和不同部位，通过试验或热工计算确定；中、小型渠道，采用聚苯乙烯泡沫塑料板或高分子防渗保温卷材保温时，保温层的厚度可取设计冻深的1/10～1/15。

（2）有适宜的非冻胀性土时，渠床可采用置换处理方法。置换深度可按下式计算：

式中 Zn——置换深度，m；

ε——渠床置换比，可按表2-8取值；

Zd——设计冻深，m；

σ——防渗层厚度，m。

（3）当地下水位较高或渠床水分较大时，应设置排水系统。设置方法可按不同情况分别确定：当冻结层或置换层以下不透水层或弱透水层厚度小于10m时，在渠底每隔10～20m设一眼盲井。当渠床的冻结深度内有排水出路时，在设计冻深底部设置纵、横向暗排系统。冬季输水的防渗渠道，当渠侧有傍渗水补给渠床时，在最低水位以上设置反滤排水体，必要时设置逆止阀。排水口及逆止阀设在最低行水位处。

（4）用压实或强夯法提高渠床土的密度，应同时符合压实度不低于0.98，干密度不低于1.60g/cm3，且不小于天然于密度的1.05倍的要求。压实深度不应小于渠床置换深度。