季冻区渠道护坡冻胀预防技术探微

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1、季冻区渠道护坡冻胀预防技术探微----渠道管理论文-->1引言1.1研究背景及目的和意义本项研究内容为黑龙江省科技攻关项目“北部引嫩总干渠衬砌工程冻胀防治技术研究”（编号：GZ10A503）的部分内容。研究目标是揭示深季节冻土区衬砌渠道工程冻害破坏机理，通过室内模型试验研究，提出深季节冻土区输水渠道工程防冻胀实用技术。1.1.1研究背景衬砌结构在输水渠道的防渗减淤工作中起着至关重要的作用，它可以减少渠道的渗漏损失、防止渠道冲刷、节约土地和改善用水条件，因此得到了愈来愈广泛的应用。然而我国冻土面积分布广泛，北方地区的永久性冻土和季节性冻土面积占国土总面积的75%，衬砌结构冻胀失稳破坏严重，影响

2、工程效益的正常发挥。因此，研究季节冻土区冻融循环条件下渠道衬砌结构的稳定性就显得尤为重要。我国冻土地区分布情况见下图1-1。（1）冻融循环条件下渠道衬砌结构失稳破坏严重在我国三北地区有许多重要的饮水灌溉渠道等水利工程，长期冻融循环使渠道衬砌结构变形失稳、渠道淤积堵塞的现象十分普遍，这严重影响了渠道的安全运行，造成极大损失。季节冻土区渠道衬砌结构冻胀破坏与其他水工建筑物的冻胀破坏相比更易发生，其破坏程度也更为严重，一直是渠道建设中亟需解决的问题。有些渠道衬砌工程由于自身结构问题及外界环境影响，在完工后投入使用的首个降温期就出现开裂、隆起、滑塌等较明显的破坏现象；有些渠道衬砌工程虽然在运行开始阶

3、段没有发生较严重的冻胀破坏，但常年的通水运行使冻害现象逐渐累积，往往在运行3~5年后就会彻底损毁，无法使用。许多灌区内的渠道衬砌结构并没有完全损坏，能够勉强维持使用，但常年维修不断，严重影响灌区运行的同时还浪费了大量的人力和物力，成为影响灌区的关键工程。黑龙江省现有耕地面积1.17亿公顷，有效灌溉面积340.586余万公顷。北部引嫩工程自建成以来已取得了巨大经济效益，其累计引水量达100多亿m3，是黑龙江省西部地区影响国计民生的重点工程。总干渠全长205km，分干渠长40km，运营30多年来，渠道衬砌结构破坏现象严重，边坡在冻融循环条件下剥蚀下大量泥沙，在水流的搬运作用下，渠道沿程淤积现象十

4、分严重，渠宽增加，渠底抬高，过水断面积减小，致使渠道不能正常运行。据计算，渠道淤积段长度占渠道总长度的70.16%，已影响到渠道的安全使用。黑龙江省水利科学研究院曾对查哈阳灌区112座工程进行冻害调查，有93座工程不同程度破坏，占调查总数的83%。另据对内蒙古河套灌区的冻害调查，在523个调查对象中，由于冻胀引起破坏的占调查总数的69.7%。其它省份如吉林对梨树灌区的冻害调查，破坏工程占调查总数的66.6%。2007年对五常灌区100余座渠系建筑物进行调查，完好率不足10%。典型破坏情况见下图1-2。（2）冻融循环条件下渠道衬砌结构失稳破坏原因分析目前对冻融循环条件下渠道衬砌结构失稳破坏的原

5、因分析已有不少，冻融循环引起的渠道衬砌结构的失稳破坏是一个随温度变化的过程，同时受到衬砌结构形式、材料组成、渠道走向及下部基土的土质、水分条件等多种因素的影响[2]。由于时间及条件的限制本文主要研究梯形砼衬砌结构在冻融循环条件下的稳定性，不考虑渠道走向、冻结速率及施工条件等的影响，从而对以往建立起来的水、热、变形耦合模型进行简化。砼衬砌结构失稳破坏主要有3方面的原因：渠道中水体结冰造成衬砌结构的破坏；衬砌材料吸水后的冻融破坏；下部基土在冻融循环条件下的冻胀融沉使衬砌板胀裂、隆起或滑塌的破坏，最后一个原因是本文研究的重点。衬砌结构下部基土的土质及水分条件直接影响着其在冻融循环环境下的稳定性。首

6、先，当渠基土体为砂砾石等颗粒较大的土体时，冻胀量一般很小，不会对衬砌结构构成大的威胁，特别是当衬砌体自身对不均匀变形的适应能力较好时，冻胀就会表现的更加微弱，甚至不冻胀。但当地下水埋藏较浅时，粗粒土体也具有一定的冻胀性。当渠基土体为细粒土、粉质土时就会产生较大的冻胀变形，特别是在土体水分含量较大且有外界水源补给条件下，因为此时水分迁移现象最为明显。如果渠道的衬砌结构是某种砼或浆砌石材料砌筑而成的刚性衬砌结构，因其弹性较小，适应不均匀变形能力较弱，往往会造成严重的冻胀破坏，并且这种冻胀破坏会随着时间逐年累积。新疆水科所通过试验研究得到不同土类的冻胀量顺序为：粉质粘土>壤土>砂壤土>重粘土>砂砾

7、土，粒径从0.05~0.002mm的颗粒含量大于60%时最具冻胀危险[3]。其次，水分条件直接影响着渠基土体的冻胀性强弱、土体内不同点处的冻胀程度及冻深方向上冻胀率的分布规律。从某种程度上看，渠基土体的水分条件决定着渠道衬砌结构的冻胀破坏程度，含水量大则冻胀量大，含水量小则冻胀量小。从水分上可把衬砌结构的冻胀破坏划分为两类，一类是雨水等由地表或衬砌向下入渗，致使渠基土含水量增大，温度降低时冻胀量增大，衬砌结构