潘俊囯
甘肃省临洮县洮河灌区管理局 甘肃省定西市 730500
摘要：渠道被破坏的主要问题之一就是冻胀，在实施渠道工程的时候，坑冻胀问题已经成为需要重点解决的难题。本文对渠道冻胀的基本原理和特征进行了论述，探讨解决渠道衬砌工程抗冻胀模式的措施。
关键词：渠道；衬砌工程；冻胀
渠道是否可以进行正常、合理、经济使用的关键在于渠道的防渗衬砌，但是在施工设计或者施工的过程中，会对冻胀因素产生忽视，渠道衬砌在有季节冻土的区域会大量的出现破坏情况，并且是严重的破坏。渠道衬砌因为冻害损伤的原因是河床上的基土因为冻胀出现滑移、错位、鼓起，伸缩缝以及施工缝裂开，致使填充物失去作用，渠道丧失了部分防渗透功能。
一、渠道衬砌体冻胀破坏机理
在冬季渠道主要有4种方式的冻胀破裂：冻胀鼓起滑坡、冻胀鼓起台阶、冻胀鼓起裂缝、剥蚀，大多数时候是纵向的裂缝按照折裂—错位—滑坍的破坏规律进行破坏的。冷空气会直接侵入到渠道的内坡面。在渠道堤的土体中如果出现上面3个肿胀的元素，就会出现冻胀作用；自由水分层在沿渠堤土体中不均匀存在时，那么点冻胀量在沿渠道内的横坡面上也不是均匀的，衬砌体在这种冻胀作用不均匀的情况下就会受到一种力，越大的冻胀量，衬砌体受到的力也会越大；越是不均匀的冻胀，衬砌体所受的力也会越来越不均匀[1]。
什么是冻结力呢？就是将渠道内边坡的冻土体和衬砌体冻结在一起。如果是在渠道的横截面截取一个受力的隔离体进行分析的话，从线性的角度分析，渠道内部边坡冻结的土体和衬砌体的受力形式会呈现出固端支座的情况，冻胀力起到荷载的作用，当出现足够大的两种力时，衬砌体就会在横向方向出现折裂损坏。在出现裂缝后，使渠道进一步的被破坏，局部出现膨胀变形的情况。到了春夏季节出现气温回升的现象，冻土会进行消融，土体会出现融沉，但是在这个过程中融沉和土体冻胀并非是互逆过程，在土体融沉以及砌体复位的时候，总是会出现残余物变形的情况，每一年都会重复的进行融沉、冻胀作用，在这个过程中每年在冻胀作用破坏下的土体其残余的变形量也是在逐渐积累的，再加上土体在冻结的过程中会垂直位移土颗粒从而造成热筛效应，改变了土体的性质，使之密度减小，降低了强度，加快了衬砌体出现下滑、塌陷现象的发生。
二、抗冻胀模式分析及应用
根据衬砌体在冻胀情况下破坏的机理以及渠道土体的冻胀机理进行分析，对渠道的衬砌体进行抗冻胀的思路应该是：抵抗与消减互相结合。消减的主要意思就是，使用各种方式对渠道上面的土体减少其冻胀量，将衬砌体因为冻胀带来的冻胀力进行减小；抵抗的主要意思就是，在对冻胀力进行计算的时候，需要对衬砌体所受到力的大小以及形式进行摸清，将对砌体进行损坏的主要力量和受作用的点找出，作为选择材料强度的参考，以及对不同的部位进行衬砌的尺寸，对其余的冻胀力针对性的进行抵抗。根据这个思想模式，确定开展渠道工程的位置，设计渠道的走向，对地下水的位置以及深度进行确立，了解外围水的情况，对渠道土体的物理力学特点以及物理结构特点进行确定，寻找出土体能承受的最低温度和气温变化的规律等会产生影响的因素，方便出现问题时及时地采取对应的措施。
（一）基土置换垫层
对一定量的冻胀性土使用非冻胀性的材料进行置换，可以在规则允许范围内对渠道衬砌体控制冻胀变形的范围，进而避免因为冻胀破坏渠道，目前使用最多的是把砂硕石作为置换的材料。在对基土进行置换的时候，对其厚度的确立是置换成败的重要原因。在《水工建筑物抗冻设计规范》中出现了各种可以对冻土进行计算的公式以及参考参数。
（二）计算置换厚度
在同一个地区对地下水的埋深以及各种土质分别展开计算，通过计算的结果可以看出，在土质相同情况下，地下水的埋深不同的时候，并非是地下水埋深越小，计算出来的置换厚度就越大，会出现对于冻胀来说地下水埋深没有任何影响的临界值。当地下水埋深处于临界值附近的时候，会计算出最大的置换厚度，当地下水埋深比临界值小的时候，计算出来的置换厚度也会因为埋深的减小而变小。所以，在地下水水位比较高的地区会受到严重的冻害，但是并非是地下水埋深越小渠道所受到的冻害越严重，渠道受到最严重的冻害是地下水处于临界值的时候，在这种情况下使用置换法的话需要最大厚度的进行置换[2]。
（三）设计置换厚度
虽然使用公式得到了垫层需要置换的厚度，但是不能直接成为工程中设计置换的厚度，需要结合工程的实际情况对数值进行调整，在对垫层进行置换厚度的设计。在使用规范的公式进行计算的时候，没有考虑附近田地回归水是否会对渠道产生影响，也没有结合渠道施工过程中的填挖情况，在实际的工程中以及专家的理论分析中，都得出填方的渠道受到的冻害比较轻，而田地回归水对渠道产生的冻害比较严重。
（四）置换措施的优缺点
用砂硕石作为置换垫层的材料在新疆地区是比较常见的抗冻措施，具有丰富经验的施工设计，和大家普遍认可的优势，但是进行置换的时候，工作量很大。而且从经济的角度上分析，只有在渠道附近非冻胀性土地比较丰富的地方才适用，而且需要保证置换层处于冻结期的时候不饱水，在使用的时候也要防止出现细颗粒污染的情况[3]。
垫层的用料通常会选择小于6%含泥量的砂硕石，砂硕石垫层也可以使用粗砂进行替代。填方渠道冻害比较轻的地方适合使用砂垫层，不要在渠道会受到田地回归水影响的地段使用；砂垫层在应用的时候要比砂硕石垫层稍微厚一些。
在渠道开挖的过程中高程比地下水位低的渠段，置换层会因为水泡的原因在冻结期失去效果，因此这种渠段不适合使用置换法。渠段置换法遇到田地回归水的时候容易出现细颗粒堆积的情况，会使工程的寿命缩短，应该建设防滤层，或者使用土工织物保护垫层。
（五）采用合理的衬砌结构形式
对于遭受冻害威胁的渠道来说，首先需要对防渗排水的基础问题进行解决，下面几个措施是比较实用的：（1）可以将土工膜料铺设在衬砌体的下方，将大气降水以及渠道渗水进行隔绝，防止对渠基的补给，保证一定深度内的渠道基土其含水量要比初始冻胀的含水量要低；（2）可以使用具有保温隔寒功能的材料铺设在衬砌体的下方，使低温不会对保温层下面的渠床产生作用，就不会出现冻胀情况；（3）可以在基土中埋入或者注入化学材料，降低土中所含水的冰点，或者可以提升土的“憎水性”，水分转移情况不会在冻结的时候出现，将衬砌体下方的冻胀土体更换成非冻胀的材料，一般会使用砂砾石垫层；（4）可以使用碾压得工具对土料进行压实，使渠床的密度得到提升，使土体的空隙减少，阻止水分进入土体[4]。（5）要提升渠道自身的抗冻胀性，对渠道整体的稳定性进行提升，对于钢筋混凝土的渠道衬砌来说施工更加方便，也更适合在西北的气候下进行施工。
三、结束语
在使用各种抗冻措施的时候，虽然置换方法是被广泛使用的，但是田地回归水也会对置换层产生影响，使工程的寿命被缩短，而且在非冻胀性土缺少的地区使用这种方式造价也是比较高的。所以在使用抗冻胀措施的时候要结合实际情况，采取适合的措施。
参考文献:
[1]李芳松.弧底梯形水利渠道衬砌结构抗冻胀的有限元研究[J].水利科技与经济,2018,24(4):26-30.
[2]石欣.U形混凝土衬砌抗冻胀特征数值分析[J].东北水利水电,2019,37(2):39-41.
[3]徐政华.渠道衬砌pp纤维混凝土防冻胀措施探讨[J].吉林水利,2018,No.428(1):17-18.
[4]李萌.多种渠道防渗抗冻胀技术在辽宁灌区的推广与应用[J].南方农业,2018,12(11):177-178.