渠道衬砌抗冻胀问题研究

研究了渠道衬砌体冻胀破坏的机理,提出削减和抵抗相结合的抗冻胀思路;探讨了冻结力及冻胀力的计算方法;并由此推算出衬砌体抗冻胀应采用的混凝土强度标号和砌体横截面各部位相应的厚度尺寸,拟定出渠道衬砌抗冻胀破坏的合理断面;提出了解决渠道衬砌体抗冻胀问题的具体措施,

第24卷 增1

岩石力学与工程学报 Vol.24 Supp.1

2005年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug.，2005

渠道衬砌抗冻胀问题研究

张伯平1，牟过斌2，刘海军1

(1. 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨陵 712100；2. 渭南市石堡川水库管理局，陕西 渭南 715200)

摘要：研究了渠道衬砌体冻胀破坏的机理，提出削减和抵抗相结合的抗冻胀思路；探讨了冻结力及冻胀力的计算方法；并由此推算出衬砌体抗冻胀应采用的混凝土强度标号和砌体横截面各部位相应的厚度尺寸，拟定出渠道衬砌抗冻胀破坏的合理断面；提出了解决渠道衬砌体抗冻胀问题的具体措施，并在陕西省渭南市石堡川水库干支渠道抗冻胀设计中应用，取得很好效果。既解决了工程抗冻胀问题，节省工程维修费用，又大大地提高了灌溉渠道输水效率，节约水资源。

关键词：水利工程；渠道衬砌；冻胀破坏；冻结力；冻胀力；结构措施

中图分类号：TV 698.2+6 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)增1–5130–06

STUDY ON THE FROST HEAVING OF CANAL LINING BLOCKS

ZHANG Bai-ping1，MU Guo-bin2，LIU Hai-jun1

(1. College of Water Resources & Architectural Engineering，Northwest A & F University，Yangling 712100，China；

2. Shibaochuan Reservoir Management Bureau of Weinan City，Weinan 712500，China)

Abstract：The mechanism of frost heaving of canal lining blocks is studied and the methods of calculating frost heaving and freezing of canal are discussed. On the basis of the works，a means of combination with cutting and resistance is proposed to deal with the frost heaving. The suitable tab of concrete in canal blocks and corresponding thickness and size in different position of cross section are calculated to obtain a optimum section of canal lining blocks with frost heaving，and some detailed measures are put forward to solve the problem of frost heaving in canals. This research was applied to devise the main canal and branch canal in Shibaochuan Reservoir and a good effect was realized. It not only solves the problem of frost heaving of canal but also declares the maintenance cost，improves the efficiency of routing，and saves water resources.

Key words：hydraulic engineering；canal lining blocks；frost heaving of masonry；freezing mechanics；mechanics of frost heaving；construction measurement

占混凝土板总损坏数的80%以上[2]。有的新修渠道，使用1～2 a就出现了裂缝。由于渠道混凝土冬季胀裂，春夏季气温回升，渠道土体融缩，渠道衬砌体

在北方水利工程中，输水渠道衬砌体因受冻胀

随之回缩复位，但留有残余变形，连年往复，复位残余变形量增大，直至失稳滑坍，彻底损坏。由于冻胀破坏作用，有的渠道坏了修、修了坏，反复建设，反复投资，费用相当大，给工程使用和管理带

1 引 言

作用而破坏的例子屡见不鲜。因此有人认为，在北方地区，冻害是混凝土防渗渠道的大敌[1]。据山东韩墩引黄灌区衬砌渠道的统计，冻胀引起的损坏数

收稿日期：2004–12–10；修回日期：2005–04–02

作者简介：张伯平(1945–)，男，1970年毕业于原西北农学院水利系，现任教授、硕士生导师、陕西省岩石力学与工程学会常务理事，主要从事岩土工程和水利工程方面的教学与科研工作。E-mail：sjxucjzx@。

研究了渠道衬砌体冻胀破坏的机理,提出削减和抵抗相结合的抗冻胀思路;探讨了冻结力及冻胀力的计算方法;并由此推算出衬砌体抗冻胀应采用的混凝土强度标号和砌体横截面各部位相应的厚度尺寸,拟定出渠道衬砌抗冻胀破坏的合理断面;提出了解决渠道衬砌体抗冻胀问题的具体措施,

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来很多麻烦，并且已为此付出了不少的经济代价。随着认识的不断深入，工程抗冻胀问题，已很实际的成为工程设计者需要认真对待和研究的一大课题。

自20世纪70年代以来，我国渠道防渗工程的防冻胀技术，在不断总结工程实验成果的基础上，取得了很大进展，提出了防渗结构“允许一定冻胀位移量”的设计标准和“回避、适应、削减或消除冻胀”的设计原则，并提供了渠道冻深和冻胀量预报以及地基土冻胀性分类方法[3

～7]

，但还没有从根

本上找到解决工程冻胀破坏的有效措施和办法。

笔者通过长期的实验研究和工程观测，从理论分析上另辟蹊径，求出计算冻结力、冻胀力的方法，在此基础上，对渠道衬砌体受冻胀作用的内力进行分析；按内力大小，选择相应的砌体强度和尺寸，通过削减和抵抗相结合的方法，解决渠道衬砌冻胀破坏问题。该项研究从1993年起被用于石堡川干渠修复工程中，多年实践证明效果很好。

2 土体冻胀机理分析及渠道衬砌体冻胀破坏机理

2.1 土体冻胀机理分析　

土体是以3种相态存在于自然界中的，工程上通称为3相土，即固相(土颗粒)、液相(土体中水分)、气相(土体中气体)。实验研究证明[8]：影响土体冻胀的主要因素是气温、土体中水分及土质。气温负温值越高，土体冻胀量越大；土体内水分越多，补给水分越充分，土体冻胀量越大；土体粘粒含量越高，土体结构越密实，土体冻胀量越大。换句话说，负温值、土体内水分、土体物理特性和结构与冻胀量存在函数关系。其中负温值、土体结构与冻胀的关系比较直观，而土体中水分在冻胀机理中的作用，应从土体水分存在形态谈起。粘土颗粒周围由于电分子作用，存在有结合水，而结合水在土粒周围实际形成水膜。结合水又分为强结合水和弱结合水。强结合水由于其物理力学特性作用，在土体冻胀过程中变化较小，而自由水和弱结合水，当遭遇负温侵袭时，发生冻结，并且随着负温值的增加，或冻结历时增长，周围土体的自由水和弱结合水向负温入侵方向沿着土粒间空隙迁移聚集并冻结，这个过程称为冻移作用[9]。负温值越高，冻移作用越充分。粘性土体中孔隙水还受毛细力作用，如果孔隙水越多，这种补充也就会越充分。当土体中毛细水与地

下水或渠堤外围水连通时，这种补充水就会相当充分，冻移作用越大，使得冰缘层不断加厚[9]。

在负温作用下，土体中的孔隙水是以冰渍的形式存在，由于冻移作用，冻土体会向负温侵袭方向膨胀挤压，这种膨胀挤压，就是冻胀。负温值越高，土体中自由水补给越充分，土体的冻胀量也就越大。如果土体中自由水补给量有限，那么，土体的冻胀量也就有限；如果土体中没有自由水补给，土体的冻胀量也就很低。在土体中，如果某一层土体自由水补给大于其他层，那么这一层土体的冻胀量将会大于其他层。

2.2 渠道衬砌体冻胀破坏机理

渠道冬季冻胀破裂主要有4种形式：剥蚀、冻胀鼓起裂缝、冻胀鼓起台阶和冻胀鼓起滑坡[10]，破坏规律多是沿纵向裂缝按折裂→错位→滑坍而破坏。渠道的内坡面，是冷空气的直接入侵面。当渠堤土体中存在上述3个冻胀因素时，即会产生冻胀作用；沿渠堤土体中自由水分层不均匀存在时，沿渠道内横坡面上的点冻胀量亦将是不均匀的。这种不均匀的冻胀作用就会施加给衬砌体一种力，冻胀量越大，施加给衬砌体的力也就越大；冻胀越不均匀，施加给衬砌体的力也就会越不均匀。

这里还需引出冻结力的概念。冻结力将使衬砌体与渠道内边坡冻土体冻结为一体。如果由渠道横截面取受力隔离体来分析，就线性分析而言，冻结作用将使衬砌体与渠道内边坡冻土体呈固端支座的受力形式，冻胀力作为荷载，而当这2种力足够大时，衬砌体就沿横向被折裂破坏。当裂缝出现后，砌体背后水分就会向裂缝部位移动并冻胀，使裂缝进一步发展，形成局部膨胀变形。当春夏季气温回升时，冻土消融，土体融沉，但是土体冻胀和融沉并非简单的互逆过程[11

，12]

，土体融沉、砌体复位时

总留有残余变形，这种冻胀、融沉作用连年往复，而冻胀破坏变形残余量也连年累积，加之土体冻结过程中土颗粒垂直位移造成的热筛效应[13]，使土体性质发生变化，密度变小，强度降低，促使衬砌体下滑、崩塌破坏。

3 抗冻胀设计思路及工程措施

依据对渠道土体冻胀机理及衬砌体冻胀破坏机理分析，渠道衬砌抗冻胀的思路应是：削减和抵抗相结合。所谓削减，就是千方百计地减小渠道土体的冻胀量，减小土体因冻胀而施加给衬砌体的冻胀

研究了渠道衬砌体冻胀破坏的机理,提出削减和抵抗相结合的抗冻胀思路;探讨了冻结力及冻胀力的计算方法;并由此推算出衬砌体抗冻胀应采用的混凝土强度标号和砌体横截面各部位相应的厚度尺寸,拟定出渠道衬砌抗冻胀破坏的合理断面;提出了解决渠道衬砌体抗冻胀问题的具体措施,

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力；所谓抵抗，就是在理论计算的基础上，摸清砌体受力形式及大小，找出导致砌体损坏的主导力及作用点，以此选用合理的材料强度及不同部位的衬砌尺寸，针对性地抵抗剩余冻胀力。在此思想指导下，区别渠道工程位置，渠道走向，地下水位及外围水情况，确定渠道土体的物理结构特性和物理力学特性，找出气温变化规律及土体最低负温等影响因素，以便采取相应措施。

根据笔者对工程土体冻胀破坏机理的研究和分析，并通过工程实践检验，认为较为成功的削减措施是：在衬砌体与土体间人为的布设空隙体，以给土体中冻移水(冻渍)设留空间，消纳冻移、减小冻胀，削减土体因冻胀而施加给砌体的力(冻胀力)。其空隙体可用碎石、砾石或砂填充，设计厚度按如下公式[14]：

Hv=1.09nH1γw (1)

式中：Hv为空隙体的设计厚度，n为土体孔隙率，

H1为土体冻结深度，γw为4 ℃时水的容重。

此空隙结构很实际地成为砌体背后土体过多活性水的消散、下移通道，有利于渠堤土体活性水转移。而北方渠道每年的冬季灌溉期，尤其是冬灌行水的间歇或停止行水后，是工程冻胀破坏的最不利时期，因为，此时正逢最低气温期，又是渠道土体因渠水渗透而处于高含水期，土体中活性水最为充分。所以，这种空隙结构就有助于使砌体背后聚集活性水很快下移消散；同时，空隙体有消纳、含蓄冻移水分作用。

通过理论计算而知，尽管因土体冻胀而施加给衬砌体的冻胀力很大(在冻胀因素具备的条件下)，但是通过空隙体的削减而剩余的冻胀力就较小了。而对于剩余冻胀力再通过砌体内力计算，选择合理结构强度和刚度，并按冻胀力线性分布规律，针对性地予以抵抗，工程实践证明是可行的。

4 冻结力及其计算

欲求冻胀力，需先求解冻结力，由实测结果可知，冻结力与砌体自身的材料及结构有关，且与砌体背后基土含水量及负温t值之间存在着函数关系。地基土与砌体的冻结力是近乎于均布的，可由下式计算[14]：

τyc=α+β|t| (2)

式中：τ2

yc为冻结力(kg/cm)；|t|为负温绝对值；α，

β为参数(其值可视其介质由试验求得)，对于粘性

土，α=0.3～0.4 kg/cm2，β=0.10～0.15 kg/(cm2·℃)

5 冻胀力的分析及计算

冻胀力受地基土体内水分分布变化而变化。当渠道行水结束后，渠堤土体内水分会消散下移，上部水分相对减小，土体中部会出现水分相对聚集现象。再加上冻结过程中的冻移影响，冻胀力是非均布的。在理论分析时，依据冻胀机理及冻胀特性[15]，考虑到砌体上端受冻结力作用，下端受底板约束，在内力分析时可假定为固端支座形式，而冻胀力按法向集中力形式考虑，其结构受力形式为超静定结构。其内力分布如图1所示，渠道边坡砌体弯矩M分布见图2，经叠加后的弯矩图如图3所示。

(a) 冻胀力R

(b) 砌体结构内力M

图1 冻胀力和砌体结构内力分析

Fig.1 Analysis of the mechanics of frozen heaving and

internal force of masonry structure

研究了渠道衬砌体冻胀破坏的机理,提出削减和抵抗相结合的抗冻胀思路;探讨了冻结力及冻胀力的计算方法;并由此推算出衬砌体抗冻胀应采用的混凝土强度标号和砌体横截面各部位相应的厚度尺寸,拟定出渠道衬砌抗冻胀破坏的合理断面;提出了解决渠道衬砌体抗冻胀问题的具体措施,

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(a)

弯矩Mp分布

(b) 弯矩M1分布

图2 冻胀引起衬砌体弯矩图

Fig.2

Sketch of lining blocks bending moment caused by

frozen heaving

图3 弯矩叠加图

Fig.3 Superimposed bending moments

由于弯矩Mp为一复合函数(如图3阴影线)，且图形在Rx处出现尖点(如图3中间架支座处)，不连续，不适用于求极值的条件，所以在计算时取几个特征点，求出对应的M值，其中包括最大M值(如表1)。

由表1可知：上三分点(2L/3)处的M值为理论值，实践中，由于上部土体的含水量小，水分补充不充分，以及上部冻结约束较下部偏小等原因，相

表1 弯矩(M)值表

Table 1 Value of bending moment

x 弯矩M 2L/4

7τycL128

2L/3

τycL24

L/2

τycL232

2L/3

τycL224

应冻胀力偏小，对砌体结构不致形成大的破坏作用；而下三分点处(L/3)的M值较二分点处(L/2)的M值大1.333倍，这与实际破损规律相符，验证了实际破损部位(裂缝部位)与理论分析的结果相一致。

渠道边坡剪切力分析见图4。

当x = L/3时，剪力Q的分析见图4(b)所示。杆端Q值由表2给出，这样就容易求得当x = L/3时的Q值为　

Q11τycLL/3=

24

(3)

当x = L/2时，剪力Q分析见图4(c)所示。(杆端Q值由表2给出)同样也容易求得当x = L/2时的

Q值为

QτycLL/2=

916

(4)

由计算结果得出：L/3处的R值小于L/2处的

1.23倍；而L/3处的M值大于L/2处的M值1.333倍(前边已求得)。　

通过以上计算，对砌体横截面上几个特征部位

的M值和Q值已分别求得。对于具体工程应视其边界条件，进行内力分析和计算，可分别求出冻结力、冻胀力的大小，并在此基础上，寻找出其致损控制力，以作该区渠道衬砌的设计依据。

6 理论在工程中的应用　

石堡川水库干渠道衬砌1991年施工完成，1993年就出现冻胀破坏。经多年的实际观测和理论计算分析认为，致使渠道衬砌损坏的主要因素是冻胀破坏作用。鉴于此，在后来的修复工程中采用了如下措施：

研究了渠道衬砌体冻胀破坏的机理,提出削减和抵抗相结合的抗冻胀思路;探讨了冻结力及冻胀力的计算方法;并由此推算出衬砌体抗冻胀应采用的混凝土强度标号和砌体横截面各部位相应的厚度尺寸,拟定出渠道衬砌抗冻胀破坏的合理断面;提出了解决渠道衬砌体抗冻胀问题的具体措施,

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(a) 剪力分析

(b) 边坡砌体

L

3

处剪力

(c) 边坡砌体

L

2

处剪力

图4 渠道边坡衬砌体剪切力分析图 Fig.4 Shear stress analysis of lining blocks

表2 剪力值

Table 2 Values of shear stress

位置x

Qax Qbx Qxa Qxb L/3 5τycL 5τycL 11τycL11τycL242424

24

L/2 7τycL 7τycL9τycL16

16

9τycL16

16

(1) 对已损坏渠堤内侧土坡进行了开挖回填修

补工作。为了使新老土体更好地结合，采用了阶式

回填的方法，即将坡面开挖成台阶状，然后分层回填。这样做的结果，可人为地在土体内形成界面，通过界面效应的作用，使土体内应力(特别是滑动拖拽力)被分解。由于界面两侧土体结构差异，从而减小了牵引式滑坡的可能性和区域范围。

(2) 在变形较大的阴坡中下部，布设碎石体垫层(如图5所示)。这层碎石体滤水层孔隙体积大，对活性水有加快渗排作用。在冻胀过程中，由于孔

隙的存在，可为冰渍的冻胀提供空间，从而削减消纳部分冻胀力。

图5 渠道边坡衬砌布设碎体垫层

Fig.5 Crushed stone cushion of lining situation in canal slope

(3) 对于现浇混凝土衬砌体的厚度，在前述理论计算的基础上，采用变截面鱼腹形式。石堡川工程按抗剪强度校核结果控制，选用150#混凝土，上部板厚7 cm，中部15 cm，下部10 cm。还在有条件的地方采用了曲面衬砌形式。此种形式，截面惯量高，抗形变能力强，实际效果较为理想。

(4) 为抵抗渠道底部冻胀作用，采用了微反拱形式衬砌，反拱矢跨比采用1∶30左右。

石堡川水库干渠衬砌修复工程，在前述理论计算的基础上，采取了针对性的工程措施。自1993年止今，陆续翻修后的工程，经多年冬季行水考验，砌体稳定，运行正常，再未出现衬砌体滑移隆起和砌体冻裂现象，冻胀破坏问题得到有效解决。

7 结论与建议

(1) 混凝土预制板的衬砌形式，在较寒冷地区(根据石堡川工程实际观测－10 ℃为冻胀破坏临界值)是不可取的。

(2) 对于采用混凝土现浇形式的梯形衬砌工程，应根据当地具体的土性和气温条件，经过理论分析计算，求得所需混凝土标号值和衬砌厚度，并

研究了渠道衬砌体冻胀破坏的机理,提出削减和抵抗相结合的抗冻胀思路;探讨了冻结力及冻胀力的计算方法;并由此推算出衬砌体抗冻胀应采用的混凝土强度标号和砌体横截面各部位相应的厚度尺寸,拟定出渠道衬砌抗冻胀破坏的合理断面;提出了解决渠道衬砌体抗冻胀问题的具体措施,

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分部位按抗冻胀力大小选取；纵向不应预留伸缩缝或工作缝，横向伸缩缝填料必须密实，以防透水。

(3) 从经济安全角度考虑，阴坡和阳坡要区别对待，在理论分析和内力计算的基础上以变截面形式为佳，对三分点部位要采取加强措施。

(4) 从削减冻胀力角度出发，砌体背后应布设大孔隙滤水体，以便渗排活性水和消纳冻移水，减小冻胀力。

(5) 提倡砌体背后铺设膜料，膜料作用有：一是可阻止渠内水向渠体土体入渗；二是膜料还可保持地温，提高渠堤土体温度，减小冻胀。

(6) 在有条件的地方，可尽量考虑采用曲面形式衬砌，如变梯形断面为“U”型或改良“U”型，以求提高砌体的整体性和刚度条件，抵抗冻胀破坏。 参考文献(References)：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fbs1.html