第一章 咸寒區(qū)渠道凍害狀況
1.1 我國(guó)凍土及凍害概述
凍土是指溫度在0℃或0℃以下并含有冰的各種土壤和巖石(陳肖柏等，2006)?根據(jù)凍土存在時(shí)間長(zhǎng)短，地球上主要分布著兩種凍土:一種稱為多年凍土，或者稱為永久凍土，指兩年以上處于凍結(jié)狀態(tài)的凍土，它可以分為兩層，表層幾米的土層處于夏融冬凍的狀態(tài)，稱為季節(jié)活動(dòng)層或季節(jié)融化層，下層常年處于凍結(jié)狀態(tài)，稱為永凍層或多年凍層;另一種稱為季節(jié)凍土，只在地表幾米范圍內(nèi)冬季凍結(jié)，夏季消融，該層也稱作季節(jié)凍結(jié)層或季節(jié)活動(dòng)層?
地球陸地上多年凍土的分布面積占1/5，大致北緯48°附近是多年凍土的南界，主要分布在俄羅斯?加拿大?中國(guó)和美國(guó)的阿拉斯加等地?我國(guó)的多年凍土分布面積約占世界多年凍土分布面積的1/10，排世界第三位，主要分布在我國(guó)青藏高原?大興安嶺?小興安嶺?祁連山?天山和阿爾泰山等高山和高緯度地區(qū)，面積約215 萬(wàn)km2，占我國(guó)陸地國(guó)土面積的22.4%?其中大興安嶺?小興安嶺的多年凍土為高緯度多年凍土，其余地區(qū)的多年凍土為高山多年凍土?
僅地表層冬季凍結(jié)?春秋季融化的季節(jié)凍土區(qū)，分布在多年凍土的外圍地區(qū)，遍布長(zhǎng)江流域以北的廣大疆域?季節(jié)性凍土區(qū)以北緯30°以北地區(qū)最為突出，特別是我國(guó)北方各省區(qū)，凍土問(wèn)題嚴(yán)重，對(duì)工程的危害也十分嚴(yán)重?我國(guó)凍土分布簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1-1?
在寒冷地區(qū)，當(dāng)土的溫度低于0℃時(shí)，土中部分水凍結(jié)成冰，在凍結(jié)過(guò)程中，由于土中原有的水分和外界補(bǔ)給凍層的水分凍結(jié)成冰使其體積增大，從而引起土體體積膨脹，這就是土的“凍脹”?同時(shí)，當(dāng)氣溫升高凍土融化時(shí)，由于土中冰的融化，造成土體結(jié)構(gòu)的破壞和強(qiáng)度的急劇減弱，使土體在自重下就會(huì)產(chǎn)生下沉，即通常所指的“融沉”(Chamberlin and Gow，1979;Peter，1998)?
土工構(gòu)筑物或各種建筑物地基土，因凍結(jié)及隨后的融化過(guò)程所引起的構(gòu)?建筑物的破壞，稱為土凍結(jié)作用災(zāi)害，簡(jiǎn)稱為工程凍害?寒冷地區(qū)的工程凍害通常指的是由于氣候的正負(fù)交替變化，或人為因素的干擾，改變了原來(lái)的環(huán)境或地基土的溫度狀態(tài)，造成地基土或土工構(gòu)筑物凍結(jié)時(shí)形成凍脹變形災(zāi)害;或多冰地基融化，在上覆動(dòng)靜荷載作用下出現(xiàn)沉降或滑塌，從而使構(gòu)?建筑物的不均勻變形超過(guò)其極限允許值而出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象?當(dāng)凍結(jié)深度超過(guò)0.4m 時(shí)，即會(huì)呈現(xiàn)出明顯的凍結(jié)與融化災(zāi)害?
圖1-1 我國(guó)凍土分布示意圖
在我國(guó)新疆?內(nèi)蒙古?東北?青海等寒冷地區(qū)，廣泛分布著鹽漬土，其地下水為咸水，在低溫下土壤溶液中鹽分的重結(jié)晶作用(Powers，1949;Zchndcr andArnold，1989)，使土層孔隙度增大，出現(xiàn)土體的松脹現(xiàn)象，稱為鹽脹?它使地上的建筑物發(fā)生變形，甚至破壞，這就是寒冷鹽漬土地區(qū)特殊的鹽脹災(zāi)害(Benavente，2007)?我國(guó)凍土災(zāi)害和鹽脹災(zāi)害的分布簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1-2?
大地在季節(jié)凍結(jié)及融化過(guò)程中，將發(fā)生一系列熱學(xué)?物理化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的變化?凍脹和融沉給北方寒冷地區(qū)各類工程及其建筑物造成很大的危害，使其受到各種動(dòng)力作用而產(chǎn)生不同部位?不同形式和不同程度的破壞?凍脹破壞涉及公路工程?鐵路工程?建筑工程?水利工程?港口工程?機(jī)場(chǎng)工程?礦山工程?能源工程等建設(shè)領(lǐng)域?受地基土凍脹作用而破壞的各類建筑物中，水利工程中的渠道構(gòu)筑物和襯砌渠道的凍害最為普遍和嚴(yán)重，而其中又以裂縫?沉陷?結(jié)構(gòu)斷裂?滑坡等造成的渠道?水閘?涵洞?渡槽?橋梁?擋土墻?土壩護(hù)坡?水庫(kù)溢洪道和各類建筑物進(jìn)出口護(hù)坡等破壞最為突出，凍害造成了難以估量的重大經(jīng)濟(jì)損失?
圖1-2 我國(guó)凍害及鹽害區(qū)域分布示意圖
1.2 咸寒區(qū)渠道凍害類型
我國(guó)是一個(gè)水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，水資源總量約為2.8 萬(wàn)億m3，人均水資源占有量為2210m3，僅為世界人均水資源占有量的1/4，耕地單位面積水資源占用量不足世界平均水平的1/2?農(nóng)業(yè)用水是我國(guó)的第一大用水大戶，2008 年，全國(guó)農(nóng)業(yè)總用水量為3664 億m3，占當(dāng)年總用水量的62%，其中農(nóng)田灌溉用水量為3306 億m3，占農(nóng)業(yè)總用水量的90%?
我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉普遍存在灌溉效率低和用水浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象，我國(guó)渠道輸水灌溉的比例很大，輸水渠道滲漏是灌溉用水浪費(fèi)的主要方面?目前，我國(guó)渠系水利用系數(shù)約為0.51，也就是說(shuō)49%左右的灌溉水在從水源到田間的渠道輸水過(guò)程中損失掉了，滲漏損失水量相當(dāng)驚人，提高輸水效率是農(nóng)業(yè)節(jié)水的重要內(nèi)容，同時(shí)，我國(guó)的基本國(guó)情決定了現(xiàn)在及今后很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉仍然主要采用渠道輸水形式?
目前，我國(guó)灌溉渠道總長(zhǎng)約450 萬(wàn)km，其中20%為已襯砌渠道，由于已襯砌渠道的凍脹和未襯砌渠道的滲漏，導(dǎo)致灌溉水在輸水過(guò)程中發(fā)生滲漏，其中渠道凍脹破壞是導(dǎo)致滲漏的主要原因之一?據(jù)黑龍江省某大型灌區(qū)支渠以上的骨干工程調(diào)查表明，受到不同程度凍脹破壞的就有93 座，占調(diào)查工程數(shù)的83%;吉林省大型灌區(qū)支渠以上的骨干工程調(diào)查表明，受到不同程度凍脹破壞的占39.4%;新疆維吾爾自治區(qū)的北疆渠道工程有半數(shù)以上的混凝土干?支渠均因凍脹受到不同程度的破壞(李方和李萬(wàn)杰，2005;毛文明，2011;李雙喜等，2012)?凍脹破壞不僅直接影響渠系水利用系數(shù)和渠道的安全運(yùn)行，而且大大增加了工程維修費(fèi)用和運(yùn)行管理難度?寒冷地區(qū)，凍結(jié)氣溫降到零攝氏度以下，負(fù)溫對(duì)混凝土襯砌防滲渠道有一定的破壞作用?根據(jù)負(fù)溫造成各種破壞作用的性質(zhì)，凍害可分為凍脹破壞?凍融破壞和冰凍破壞三種類型(何武全等，2012)?
1)凍脹破壞
凍脹破壞指渠道基土凍脹和融沉對(duì)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的破壞?當(dāng)渠道基土為凍脹性土，且含水量大于起始凍脹含水量時(shí)，在冬季負(fù)溫的作用下，由于渠道基土中的水凍結(jié)后體積增大，造成土體膨脹，使襯砌結(jié)構(gòu)隆起(劉西拉和唐光普，2007)?當(dāng)凍脹變形超過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)的允許變形時(shí)，或因凍脹而產(chǎn)生的凍脹力超過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)的抗裂?抗拉強(qiáng)度時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)就會(huì)開(kāi)裂甚至折斷(王曉魏等，2009)?如不及時(shí)維修和處理，并繼續(xù)輸水運(yùn)行，其凍害將逐漸加劇，直至破壞渠道?在渠基土凍結(jié)期間，如果地下水位較高，或有其他水源流入渠基，將會(huì)有大量的水向凍結(jié)鋒面轉(zhuǎn)移和結(jié)冰，其產(chǎn)生的基土凍脹變形加大，從而使凍害破壞更加嚴(yán)重?在春季消融時(shí)又造成渠床表層過(guò)濕，使土體失去強(qiáng)度和穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致襯砌體的滑塌(李欽，2011)?
2)凍融破壞
凍融破壞指混凝土襯砌材料內(nèi)部孔隙水的凍融造成的襯砌板破壞(Chamberlain，1989;Othman，1993)?混凝土襯砌材料具有一定的吸水性，又經(jīng)常處于有水環(huán)境中，因此材料內(nèi)總是含有一定的水分，這些水分在負(fù)溫作用下凍結(jié)成冰，體積會(huì)發(fā)生膨脹，比原體積增大9%?當(dāng)這種膨脹作用引起的應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度時(shí)，材料就會(huì)產(chǎn)生裂縫?在第二個(gè)負(fù)溫周期中，其吸水性增大，結(jié)冰膨脹破壞的作用更為劇烈，經(jīng)過(guò)多個(gè)凍融循環(huán)應(yīng)力的反復(fù)作用，最終導(dǎo)致襯砌材料的凍融破壞?常見(jiàn)的有混凝土襯砌板表層剝落?凍酥等?
3)冰凍破壞
冰凍破壞指冬季輸水渠道水體結(jié)冰對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的破壞?我國(guó)寒冷地區(qū)大部分灌溉渠道在冬季停止輸水，但少數(shù)渠道要進(jìn)行發(fā)電供水?工業(yè)供水?城市供水等，在負(fù)溫期間供水時(shí)，渠道里的水體常常會(huì)結(jié)冰，產(chǎn)生冰凍破壞?渠水結(jié)冰時(shí)，起初只是形成岸冰，在特別寒冷或嚴(yán)寒條件下，岸冰逐漸向渠道中心擴(kuò)大，逐漸連成一片，最后表面完全封凍?此后，冰凍層逐漸加厚，對(duì)渠道襯砌體產(chǎn)生冰壓力，造成襯砌體的位移和破壞，或在冰壓力和渠基土凍脹力的作用下鼓脹，發(fā)生破壞變形?該凍脹破壞的特點(diǎn)是凍脹量大，鼓得高?鼓起的襯砌板下，冬季輸水階段是冰和凍土，春季消融后是稀泥和空洞?同時(shí)，當(dāng)渠水面封凍后，上游漂浮的冰塊或冰屑團(tuán)，部分鉆到冰面以下，當(dāng)來(lái)冰量大于排冰能力時(shí)，冰塊及冰屑就將在某個(gè)斷面的冰面下積累，減小過(guò)水?dāng)嗝妫�逐漸演變到斷面完全被封堵，形成冰壩，即會(huì)造成渠水滿溢，甚至潰渠事故?
1.3 咸寒區(qū)渠道凍害破壞形式
我國(guó)渠道襯砌與防滲工程常采用混凝土?石料?膜料和瀝青混凝土等建立襯砌防滲層，或利用上述材料構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)，達(dá)到襯砌防滲的目的?通過(guò)對(duì)我國(guó)典型咸寒區(qū)渠道的凍害進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研，總結(jié)出渠道凍害主要有以下類型的破壞形式?
1.3.1 混凝土襯砌渠道
普通混凝土是以水泥為膠凝材料，以砂?石為骨料加水拌和，經(jīng)澆筑成型?凝結(jié)硬化形成的人造石材?其中，水泥和水構(gòu)成的水泥漿包裹在骨料表面并填充砂的空隙形成砂漿，砂漿包裹石子顆粒并填充石子的空隙形成混凝土?混凝土屬于剛性襯砌材料，具有較高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度較低，并且襯砌板厚度較薄，適應(yīng)拉伸變形或不均勻變形的能力較差，在凍脹力或熱應(yīng)力的作用下容易破壞，其破壞形式大致總結(jié)如下?
1.3.1.1 鼓脹及裂縫
在冬季負(fù)溫作用下，混凝土襯砌板與渠道基土凍結(jié)成一個(gè)整體，承受著凍結(jié)力?凍脹力及混凝土板本身收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力等，當(dāng)這些應(yīng)力大于混凝土板在低溫下的極限應(yīng)力時(shí)，混凝土板就會(huì)發(fā)生破壞?混凝土襯砌板的凍脹裂縫多出現(xiàn)在渠道坡腳以上1/4~3/4 坡長(zhǎng)范圍和渠底中部，裂縫一般出現(xiàn)在渠道混凝土板水位線附近?我國(guó)新疆某大型引水渠道的鼓脹裂縫情況如圖1-3 所示?
圖1-3 我國(guó)新疆某大型引水渠道鼓脹裂縫圖
凍脹裂縫寬度與基土的凍脹性及其不均勻程度有關(guān)?基土凍脹性弱，裂縫窄;基土凍脹性強(qiáng)，裂縫寬，而且將發(fā)展成更嚴(yán)重的其他形式的破壞?溫度裂縫和拉裂縫一般呈發(fā)射狀，但這些裂縫往往都與土的凍脹同時(shí)發(fā)生，因而縫寬亦隨之?dāng)U大，特別是其中的縱向裂縫常常成為凍脹縫?
不論上述哪種形式的裂縫，一旦出現(xiàn)，就難于或不可能在基土融化時(shí)完全復(fù)原，甚至由于裂縫塊間相互擠頂而留下寬縫或局部擠碎?裂縫的出現(xiàn)，不但造成渠道漏水，而且由于泥沙通過(guò)裂縫被帶入板下，污染墊層，加劇土的凍脹?在逐年凍融循環(huán)作用下，裂縫寬度和凍脹累積發(fā)展，導(dǎo)致襯砌體破壞越來(lái)越嚴(yán)重?
1.3.1.2 隆起架空
對(duì)于地下水位較高的渠道，渠道基土距離地下水較近，凍脹量較大，而渠道頂部?jī)雒浟枯^小，造成混凝土襯砌板大幅度隆起?架空，一般出現(xiàn)在坡腳或水面0.5~1.5m 坡體處和渠底中部?渠道的隆起?架空破壞示意圖見(jiàn)圖1-4?
圖1-4 渠道因凍脹引起的混凝土襯砌隆起?架空示意圖
冬季行水渠道水位線以下的土體無(wú)凍脹，混凝土襯砌板無(wú)變位，水位線以上部分則暴露在大氣中，在負(fù)溫作用下，渠基土凍結(jié)膨脹，使襯砌板隆起，春季消融時(shí)很難復(fù)位，形成架空?圖1-5 為混凝土襯砌隆起?架空的照片?
圖1-5 凍脹引起的混凝土襯砌隆起?架空