5.6 防冻胀设计研究
5.6.1 冻胀破坏成因分析
渠道冻胀破坏可分为渠道防渗材料的冻融破坏、渠道中水体结冰造成防渗工程的破坏，以及渠道基土冻胀对防渗工程的破坏。
地基土的强烈冻胀需要有以下条件:
(1)低于水的冻结温度。
(2)地下水位与冻结锋面较接近，或土壤含水量较高，可供给冻结锋面足够的水分。
(3)基土的颗粒及级配易于产生冻胀。在粗粒土中由于没有结合水和不易形成冰透镜体，所以是非冻胀土。纯黏土由于渗透系数太小，水流动受限制不能向冻结区提供足够水分，也不是对冻胀很敏感的土。但黏土中如存在较多的砂粒、粉粒或者裂隙发育时，则会产生严重冻胀。其实，在土中是孔隙的大小决定冻胀，而非土颗粒本身的大小。一般认为，0.1mm是允许冰透镜体形成的最大颗粒尺寸，0.02mm是一个对冻胀敏感的颗粒尺寸。对于级配良好的粗粒土但小于0.02mm颗粒含量为3%;对于均匀级配的粗粒土但小于0.02mm颗粒含量为10%，都会使土发生冻胀;砾石土含有5%～10%的0.02mm的颗粒也会产生冻胀。渗透系数k为10-3～10-6cm/s的粉土、粉质黏土和砂质黏土及裂隙发育的黏土最易发生冻胀。
穿黄工程所处地区年内最冷月的平均气温低于-3～-5℃，极端最低温度达-17℃，多年平均最大冻深500mm。每年当日气温转负一般始于11月下旬，终于翌年2月下旬，最长达114d;多年平均冻结指数103℃·d。南干渠基土以渗透系数k为5.1×10-7～4.2×10-4cm/s的壤土
、渗透系数k为2.9×10-6～2.1×10-4cm/s的砂壤土
为主，输水渠沿线最高地下水位一般在地面以下1～3m，高出渠底1.0～2.5m，地下水位埋深较浅。因此，地基土发生冻胀的可能性很大。
当基土发生超出衬砌结构所能适应的不均匀冻胀时，就会造成衬砌体冻胀破坏，主要表现由于基土冻胀引起衬砌鼓胀裂缝、隆起架空、整体上抬、板块错位，严重的还会造成衬砌破碎或滑塌。渠道衬砌体的冻胀破坏，导致其失去防渗减糙作用，增大渠道输水损失。
基土之所以发生不均匀冻胀主要原因有:①基土水分条件沿渠坡的分布不同;②基土土质的不同;③受日照与遮阴不同;④保温效果的不同;⑤冬季输水渠道输水水位上下冻结条件的不同，造成水面上下渠坡具有不同的冻胀。
从基土发生不均匀冻胀的原因中不难看出，冰冻期地下水位、渠基土壤性质、渠道走向、运行工况决定着基土冻胀位移量的大小。
渠道断面各点的冻胀程度取决于土中含水量的高低，而土中含水量的来源，一是由渠顶向下渗透，二是渠道防渗层的漏水，三是地下水位高低影响。一般地下水位很深，冻胀对砌体的破坏较小;地下水位较浅，低于渠底但小于临界水深，渠底和渠坡都会有较大的冻胀;地下水位高于渠底，渠道内无水，则底、坡都发生冻胀;渠道输水时，则两坡在冰面附近冻胀力最强。
梯形渠道由于坡脚处衬砌板的相互约束及其对基土冻胀的约束，冻胀分布很不均匀，邻近坡脚处的冻胀量很小，但渠底板两端受渠坡板的约束，冻胀变形中部大而两端小，渠底中部弯矩较大;渠坡板下部受底板约束，上部受冻结力约束，下部冻胀量大，所以在中下部弯矩较大;邻近坡脚的冻胀力很大，冻胀不均匀系数也大，还存在残留冻胀量，衬砌体整体上抬是由渠底向上的冻胀变形和两侧渠坡法向冻胀变形产生，但在变形过程中，渠底板受到渠坡板约束成压弯构件，渠坡板受到渠底板及冻结力约束成为偏心受压构件，所以在渠坡下部和渠底中部容易产生冻胀破坏。
梯形混凝土衬砌渠道的破坏特征是沿渠道轴线方向，渠道边坡裂缝的部位多在中下部(距边坡底部1/4～1/3坡长处)，渠底板的裂缝在中部;渠道整体在不均匀冻胀变形作用下，产生整体上抬现象，特别是地下水埋深较浅时，上抬现象更明显。渠内无水且渠顶无水补给时，均质土渠梯形混凝土衬砌结构渠道的冻胀变形及裂缝位置如图5-59所示。渠内有水时一般不发生冻害，渠坡衬砌板在水面以上部分与图示情况的渠坡变形基本相似。
图5-59 梯形渠道冻胀破坏示意图
(虚线为变形后状态)
5.6.2 基土冻胀分析计算
在进行渠道防渗工程设计时，对标准冻深大于0.3m的地区，应进行渠道抗冻胀计算，计算渠道的衬砌或板式护面结构的冻胀位移角。经抗冻计算，若不能满足抗冻胀要求或结构设计不经济合理时，应采用相应的抗冻胀措施。除重要工程外，目前一般渠道衬砌是以允许衬砌或板式护面冻胀变形或变位，即以渠道横断面上最大冻胀变形值作为控制指标。
5.6.2.1 计算控制点选择
如果渠道断面所处土质、地下水位条件相同时，其冻胀量也大致相同。但是，由于渠道的走向不同、日照不同、各地地下水位深浅不同、冻结深度不同，往往渠道的阳坡、阴坡、渠底，各处冻胀量会有很大差别。因此，应将渠道断面冻胀量相近范围划分为若干区段，以便进行分区段的抗冻胀计算。在渠道各分段选择1～2个具有代表性的横断面，确定一些计算点，如渠底、坡脚、坡中、坡顶等，这些计算点即称为渠道断面计算控制点。
根据南干渠沿线渠床地质条件、渠道走向(N-S)、地下水位分析资料，结合不同的地下排水措施，进行典型断面的分析计算。
(1)采用暗管井排措施降低地下水位的情况，计算条件设定为:冬季停水期渠道内无水、地下水位按冰冻期最高地下水位的情况计算设计冻深，并按冬季停水期渠道内无水、地下水位按排水后在渠底以下0.5～1m的情况，在渠道断面上选取4个点，分别计算渠坡、渠底冻胀量。冻胀量计算部位如图5-60所示。
图5-60 暗管井排措施冻胀量计算部位图(单位:m)
(2)按渠坡暗管逆止排水措施，只起平衡扬压的单一减压功能的情况，计算条件设定为:冬季停水期渠道内无水、地下水位按冰冻期最高地下水位的情况考虑，并在渠道断面上选取4个点，分别计算渠坡、渠底设计冻深及冻胀量，以便与降低地下水位后的冻胀位移值作比较。冻胀量计算部位如图5-61所示。
图5-61 渠坡暗管逆止排水措施冻胀量计算部位图(单位:m)
5.6.2.2 冻胀位移计算
(1)各控制点工程设计冻深的计算。按照《水工建筑物抗冰冻设计规范》(SL 211—2006)，工程设计冻深Hd的计算公式如式(5-54)～式(5-56)所示。
其他系数参见规范。
(2)控制点冻胀量的计算。对低液限黏土、粉土和高液限黏土及砂类土冻胀量计算，可分别用《水工建筑物抗冰冻设计规范》(SL 23—2006)推荐的公式计算。
根据《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)判断，
壤土属于低液限黏土，砂壤土属于黏土、粉土过渡区。
对低液限黏土，冻胀量为:
按设定条件，采用《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL 23—2006)计算典型断面不同部位设计冻深、冻胀量等指标见表5-13。
表5-13 典型断面不同部位设计冻深、冻胀量
对比以上两种地下水位时的计算结果，可以看出:基土水分条件对冻深及冻胀位移值的影响较大。采用暗管疏干井排措施降低地下水位后的渠道上、中部冻胀量的冻胀量处于0.0047～0.22cm之间，小于规范规定弧形坡脚梯形断面渠道混凝土衬砌结构的允许法向位移值1.0cm，排水措施已能防止冻胀破坏;而渠底部冻胀量高达1.33～2.29cm，大于1.0cm，需增设其他工程措施共同处理。
5.6.3 防冻胀技术措施
针对渠道冻胀破坏，应采取积极的防治措施，主要从以下几个方面入手:①改善渠基土的温度场与湿度场，从根本上消除或减少冻胀的发生;②选择合理的衬砌结构型式，改善结构的受力情况，充分发挥结构的承受能力，以减少冻胀破坏;③采用新型的防渗衬砌材料，提高材料自身的抗冻胀性能，以适应冻胀变形;④严格控制施工质量，确保渠道防渗防冻效果及耐久性;⑤实行科学的运行管理模式，处理好渠道行水和停水的关系，定期检查，避免或减少冻胀的发生机会。
5.6.3.1 改善渠基土的温度场与湿度场
渠道冻胀是在一定的温度和湿度条件下发生的，对渠道采取保温隔热、基土换填或防渗排水等措施，能改善渠基土的温度场与湿度场，削弱或消除冻胀发生的条件，减少或避免冻胀的发生。
(1)保温隔热措施。将保温隔热材料如炉渣、泡沫水泥、聚苯乙烯泡沫板等布设在衬砌体背后及地表面，利用其导热系数低的性能改变和控制渠基土周围热量的输入输出及转化过程，人为影响冻土结构，使冻土内部水热耦合作用在时空上重新分布，从而减轻或消除渠床的冻深和冻胀。保温隔热材料要求导热系数低，具有一定的强度和耐久性，吸水率小。
聚苯乙烯硬质泡沫板是一种新型优质的隔热保温材料，具有自重轻、导热系数低、吸水性小、耐老化和运输施工方便等特点，近年来在各地应用广泛。内蒙古河套灌区为此进行了专门的试验研究，结果表明:混凝土衬砌渠道铺设聚苯乙烯泡沫板，平均每厘米厚的保温板，可提高基土温度阴坡为1.3～1.8℃，阳坡为0.7℃左右，可减少冻深值东西走向渠道阴坡为6.8～11.3cm，阳坡为5.0～11.7cm，南北走向的渠道阴坡为9.5～10.4cm，阳坡为6.9～9.5cm，随保温层厚度的增加冻深呈线性减小。
(2)渠基土换填及加固处理。渠基土换填技术是指用风积砂、砂砾石等弱冻胀性土，置换渠基原有土壤，降低渠道冻胀量的方法，其换填厚度根据土壤类别、地下水位埋深等确定。根据试验，用风积砂换填渠基，冻胀率在3%以下，防冻效果在90%以上。
渠基土加固处理包括压实处理和化学处理两种方法。压实处理可使土的干密度增加，孔隙率降低，透水性减弱，能阻碍水分迁移聚集，削减甚至消除渠基土冻胀的能力，起到防治冻害的目的;化学处理是将食盐、氯化钙、三磷酸钠等化学材料注入或埋入渠基土中，使土中水的冰点降低或增强土的憎水性，使冻结时很少发生或不会发生水分迁移现象，从而大大减轻或消除冻胀。
5.6.3.2 南干渠工程防冻胀技术
根据南干渠工程沿线工程地质水文地质特性及冻胀位移值分析计算结果，在采取排水措施降低地下水位的情况下，渠道地基土的冻胀性类别为I级，可从削减、适应冻胀等方面因地制宜地选用经济合理的一种或多种措施。经分析研究，集成了基土排水、置换垫层、加筋泡沫材料保温和聚苯乙烯泡沫板保温等多种复合防冻胀措施，以防止冻胀破坏的发生。
结合防渗、防扬压、防湿陷技术措施的研究，采用置换砂砾垫层法不但可以增强渠基的排水性能，阻止下卧层水分向表层冻结区迁移，还可使置换层与渠底设置的排水系统连通，有效排出渠床渠基冻融层中的重力水和傍渗水;而对黄土渠基，则需要同时结合对湿陷性黄土渠底的压实处理。使排水与置换、压实等措施有机地结合，从而进一步削减冻胀量，防止冻害现象的发生。根据渠道走向、置换位置，考虑冬季引水等因素，经计算，换填厚度采用15～25cm。