冰川冻土, 2020, 42(1): 182-194 doi: 10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0026

寒区工程与灾害

我国寒区输水工程研究进展与展望

何鹏飞,1,2,3, 马巍,1,3

1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000

2.兰州理工大学 理学院，甘肃 兰州 730050

3.中国科学院大学，北京 100049

Study of canals in cold regions of China： achievements and prospects

HE Pengfei,1,2,3, MA Wei,1,3

1.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China

2.School of Science, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China

3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

通讯作者: 马巍， 研究员， 从事冻土力学及冻土工程研究. E-mail： mawei@lzb.ac.cn.

编委: 周成林

收稿日期: 2018-07-12   修回日期: 2019-06-18  

基金资助: 国家重点研发计划.  2017YFC0405101
国家自然科学基金项目.  51778275

Received: 2018-07-12   Revised: 2019-06-18  

作者简介 About authors

何鹏飞（1989-），男，甘肃靖远人，2013年在兰州大学获硕士学位，现为中国科学院西北生态环境资源研究院在读博士研究生，从事寒区环境与工程研究.E-mail：hepf17@163.com , E-mail：hepf17@163.com

摘要

由于极端寒冷和其他复杂环境条件， 寒区输水工程容易发生冻害， 威胁其供水能力和安全保障。通过综述寒区输水工程研究的文献和进展， 概括冻害现象、 冻害原因、 研究方法以及防治措施， 提出未来需要研究和应对的问题。寒区输水工程冻害现象主要表现为衬砌破坏， 防渗保温层破坏， 接缝止水材料脱落， 渠道基土流失、 滑塌、 冰塞和漫堤等； 引起冻害的原因主要为冻胀、 冻融循环、 不良地质条件、 不合理施工和管理等； 研究方法方面通常从衬砌优化设计和基土水热力分析展开； 防治措施主要有基土换填， 铺设防渗保温层和排水等。目前研究中的不足主要表现在衬砌受力分析模型过于简化， 对不同防渗保温措施缺乏定量研究， 水热力分析时未考虑输水渠道特殊条件以及缺乏冬季延长输水时间管理的科学方法等问题。

关键词： 高寒区 ; 渠道 ; 衬砌 ; 冻害 ; 防渗保温

Abstract

Due to the extreme cold weather and complex environment conditions， cold damage on canals is a serious problem in cold regions， which has become a threat to water supply ability and safety. In this paper， a general overview about the relevant researches are summarized， and the future research topics are proposed， including phenomena， research methods， prevention and treatment of frozen injury. Here， the frozen phenomena mainly include the destruction of lining and insulating layer， falling off of joint sealing materials， foundation soil loss and slump and canal ice jamming and overtopping， etc. The main reasons that cause frozen injury include frost heave， freeze-thaw cycles， geologic conditions and constructive conditions， etc. Investigation is developed generally on optimal design of the lining and the coupled heat-moisture-stress analysis， etc. The prevention and treatment mainly include the replacement of foundation soil， use of insulation layer and build of drainage system， etc. However， at present， the shortcomings of the research are mainly reflected in the oversimplification of the lining stress analysis model， the lack of quantitative research on different anti-seepage and thermal insulation measures， the failure to consider the special conditions of water conveyance channels and the lack of scientific methods to extend the water conveyance time management in winter.

Keywords： cold regions ; canal ; lining ; frost damage ; anti-seepage and insulation

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何鹏飞, 马巍. 我国寒区输水工程研究进展与展望[J]. 冰川冻土, 2020, 42(1): 182-194 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0026

HE Pengfei, MA Wei. Study of canals in cold regions of China： achievements and prospects[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2020, 42(1): 182-194 doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2020.0026

0 引言

我国是灌溉型农业生产大国， 农业用水量占全国总用水量的63.2%， 其中农田灌溉用水占全国总用水量的58.1%， 同时， 我国50%以上区域在干旱和半干旱地区， 由于气候条件等因素影响， 甘肃、 宁夏、 新疆、 内蒙古等地区农业用水量占当地总用水量的75%以上［1］。由于水资源时空分布不均匀， 建设了大量的输水渠道， 目前全国已建成干支渠道约80万公里， 但由于渠道渗漏等原因， 渠系水利用系数平均只有0.5左右， 造成大量水资源浪费［2］。同时， 渠道渗漏使沿线土地盐碱化［3］。为此全国已建成大量渠道防渗工程， 可使渗漏损失减小70%～90%。

渠道防渗工程在很大程度上提高了水的利用效率， 促进了节水工程的发展。但是由于我国幅员辽阔， 冻土分布很广， 多年冻土区和季节冻土区分布面积分别占全国陆地面积的21.5%和53.5%， 这些地区纬度跨度较大， 气候复杂多样， 使得各地的渠道工程使用寿命差别巨大。特别是在东北、 西北、 华北等广大北方寒冷地区， 冬季气候寒冷且低温持续时间长， 例如， 新疆冬季气温一般在-10～-40 ℃， 年累计日平均负气温在-1 000～-1 500 ℃， 年负气温持续时间约为130天［4-5］。同时， 这些地区自然冻深较大， 加之周而复始的昼夜温差作用， 致使渠道工程普遍存在严重的冻害问题。例如， 黄河上中游大型灌区干支渠道及建筑物老化损坏率约为30%～40%， 其中， 冻胀破坏占30%～50%［6］； 黑龙江查哈阳大型灌区有90多座的大中小型灌渠受到各种程度冻胀破坏， 冻害率高达83%［7］； 新疆维吾尔自治区的北疆渠道工程有半数以上的混凝土干、 支渠均因冻胀受到不同程度的破坏［2］； 据陕西省几个灌区混凝土防渗工程的调查， 由于冻害渠道阴坡混凝土防渗板的裂缝率为75.5%， 阳坡为27%， 可见渠道工程冻害问题在寒冷地区普遍存在［8］。渠道冻融灾害不但直接影响渠道的正常使用， 浪费了宝贵的水资源， 使渠道沿线土地次生盐碱化， 而且增加了工程维修次数和运行费用， 严重制约了工程效益的发挥。因而， 如何防治寒区渠道工程的冻融破坏已成为一个困扰灌区国民经济农业生产健康发展的关键问题。

为了防治渠道的冻融病害， 延长输水工程的使用寿命， 国内外相关科技人员从不同层面开展了大量研究。通过对不同地区输水渠道冻害调查发现， 冻害类型主要表现为衬砌破坏、 渠坡垮塌及冬季输水渠道的漫堤和冰塞等。渠道衬砌破坏主要由于基土不均匀冻胀使得护板弯矩增大， 加之冻融作用造成混凝土和接缝材料劣化， 使得护板出现断裂破坏。渠水渗漏和冻融循环作用使得基土流失和原有土体稳定结构破坏， 长期以往引起渠坡垮塌。高寒区渠道冬季输水需要在初冬形成稳定的冰盖， 但由于气温波动及管理失误很容易造成冰盖破坏， 从而引起冰塞等事故。针对以上问题， 通过基土换填、 衬砌材料和结构优化等措施可有效提高衬砌稳定性。通过在衬砌与基土间铺设防水和保温材料可有效降低渗漏和基土的冻融劣化过程， 从而减轻渠坡垮塌风险。通过对冬季输水渠道沿线气温监测并优化输水过程管理可以预防冰塞等事故。目前， 虽然已经取得一些成果， 但仍然有许多关键问题没有解决， 例如复杂条件下衬砌劣化过程， 基土物理力学性质变化过程， 隔水保温材料效能评价及输水管理方法等。

随着寒区经济建设的高速发展， 基础建设日新月异， 各种新、 旧输水工程仍然病害问题频发。本文基于上述问题， 从现象、 原因、 措施及管理等方面对近年来寒区输水工程的研究进行了梳理和总结， 并提出下一步需要研究和应对的问题， 希望对寒区输水工程的建设提供科学建议。

1 寒区输水工程冻害类型和特征

由于自然和工程条件等因素的不同， 不同地区、 不同结构的输水渠道发生了不同形式的破坏现象， 可分为冻胀破坏、 融沉破坏和冰冻破坏。主要表现在衬砌变形、 裂缝、 隆起和剥落， 渠道基土流失、 滑坡， 冬季输水冰塞、 漫堤， 防渗保温层破坏， 接缝止水材料脱落等现象。

冬季停水渠道的破坏主要表现在衬砌破坏和基土失稳， 具体为： 混凝土衬砌渠道由于不均匀冻胀使衬砌产生裂缝， 现浇混凝土衬砌通常会在距渠底1/3处出现纵向裂缝， 底部较宽渠道渠底也会出现裂缝， 由于长期水流泥沙磨损和冻融作用， 衬砌会出现侵蚀、 隆起、 错位等破坏［9］； 土体冻胀使翼墙倾斜开裂； 隔墙冻拔抬升； 基土经历冻融循环后， 由于抗剪强度减小， 以及土体物理力学性质、 含水率、 渗透性等性质发生变化， 边坡失去稳定性而滑塌， 混凝土板受力不均匀便随之下滑或折断［9］。例如， 新疆某地修建的干支渠， 仅一个冻融循环， 由于基土滑塌渠深就减小超过50%， 两三年后失去输水功能［10］。在地下水位较高地区， 冬季冻胀使坝体产生裂缝， 春季解冻时裂缝充水， 使土体黏聚力减小， 同时由于土壤中易溶盐的存在， 使土体结构松散［11-13］。此外， 地下水和渠水对坡脚处土体的侵蚀和冲刷， 导致土体流失， 长期作用会引发滑坡［14-16］。在暖季输水过程中， 由于渗漏水力作用， 衬砌下方沙土和黄土很容易流失， 造成衬砌下部失去支撑， 加之长期冻融作用， 导致衬砌断裂等破坏［17］。对于铺设有混凝土预制板衬砌的渠道， 由于预制板间勾缝材料与预制板力学性能差异和施工质量问题， 冻结期间变形不同步导致勾缝开裂， 再加之基土不均匀冻胀和渠基土流失， 使预制板出现架空、 错位和相互穿插、 渠道上沿向渠内侧移动等破坏现象［18-21］。在渠道纵向上， 由于沿线土壤水分条件迥异， 也造成了冻胀变形在纵向分布的不均匀性［18］。

冬季引水渠道， 由于基土冻胀、 静水压力、 衬砌板的自重、 冰盖支撑力和水流的振动综合作用， 使边坡板在冰盖上部附近被拉断或折断［22-24］。冬季输水时如果对输水量管理不善， 很容易引起冰凌阻塞渠道， 冰水漫堤， 威胁渠道运行安全［4］。由于冻融作用， 混凝土自身强度和刚度会下降， 表面出现剥蚀和裂缝， 有严重者出现10 cm剥蚀， 严重影响构筑物寿命［25-30］。由此可见， 在不同条件下， 渠道破坏形式是不同的， 在规划设计时要有针对性的处置措施， 在研究过程中也要充分考虑各种情况， 不能一概而论， 导致避重就轻。

2 寒区输水工程冻害原因和影响因素

2.1　冻胀、 冻胀力和冻结力

寒区输水工程遭受冻融灾害的内在原因是渠道基土的冻胀和融沉［31］。土体处于负温条件时， 孔隙中部分水分冻结成冰将导致土体原有热学平衡被打破， 在温度梯度影响下未冻结区内水分向冻结锋面迁移并遇冷成冰， 随着冻结锋面推进以及水分进一步迁移和集聚， 土体体积逐渐增大， 发生冻胀现象。土体冻结过程中水分迁移和成冰作用是产生土体冻胀的主要原因［31］。影响土体冻胀的主要因素有土的粒度组成、 矿物成分、 水分、 密度、 温度、 载荷以及盐分。

具体表现为土颗粒大小和级配反映土水相互作用的能量和土的渗透性， 粒径在0.05～0.005 mm的粉粒土类冻胀性最强［32］。并非所有情况下土体都会产生冻胀， 土体中温度变化过程中， 冻胀产生于起始冻胀含水率和起始冻胀温度， 而终止于停止温度［31］。土体密度和含水率综合影响土体中孔隙空间， 对相同水分条件的土体， 土体密度越大冻胀性越强， 当土体达到某个密度时， 其冻胀性减小。土体外部载荷对土体冻胀有一定的抑制作用， 主要表现在两个方面： 土的冻结点随着外部压力的增加而降低； 外部压力引起土体内水分重分布。土体的盐分影响着土体的渗透性、 液塑限、 冻结温度以及冻土中未冻水含量， 从而影响土体的冻胀性， 易溶盐离子浓度增加， 降低土颗粒的表面能和毛细作用， 同时使冻结温度降低， 导致土体冻胀性减少， 不同盐类对冻胀的影响不同［33］。工程中常用易溶盐作为抗冻剂来降低冻胀， 如氯化钠和硫酸钠。

当土层表面受到衬砌等结构约束， 甚至不允许土体冻结时出现冻胀位移， 则结构基础与基土接触面将受到冻胀力的作用， 基土受到的束缚越多， 冻胀力越大。通常为计算方便， 按照作用于基础表面的方向， 将冻胀力分为： 法向冻胀力、 水平冻胀力和切向冻胀力［34-40］。切向冻胀力可使埋入冻土中的结构物顺着冻胀方向拔起， 即冻拔现象。三种不同的冻胀力都会受到土体物理性质、 土的温度和含水率、 土的约束性以及冻土层厚度的影响［41］。

构筑物埋入冻土中， 在冻结过程中冰晶将土颗粒同构筑物胶结在一起， 这种胶结力称为土与构筑物的冻结强度， 简称冻结力， 它包括冰与构筑物的胶结力和土颗粒与构筑物的摩擦力［42-48］。冻结力是一种只有在外载荷作用下才能表现出来的力， 其作用总是与外载荷作用方向相反。冻结强度不但受到与冻土强度相关的因素影响， 如温度、 含水率、 土体物理性质以及外载荷作用时间和加载速度， 还受到构筑物物理性质的影响， 如粗糙度、 自由能、 冰膜厚度与形态［49］。

此外， 在一些特殊土体区域修筑输水渠道要对土体特殊物理力学性质加以考虑。如湿陷性黄土在浸水或增湿后发生强度骤降变形大幅增加现象。膨胀土随含水率增加， 体积显著增加， 若变形受到衬砌等物体束缚， 则会产生膨胀力。

2.2　融沉

实际工程中， 冻土内部存在多种形式的冰， 如胶结冰和分凝冰［31，34］。在土体升温时， 冻土逐渐融化， 土体内部形成较大孔隙， 在外部荷载和自重作用下土体内发生土体骨架快速压缩和排水固结过程。融沉可造成渠道衬砌架空， 基土垮塌等破坏。初始含水率和密实度是影响冻土融沉的最直接因素［31，34］。

2.3　冻融循环作用

由于气温周期性波动， 寒区地表土体会受到反复的冻结和融化作用， 从而改变土体内部结构， 引起土壤物理和力学性质的变化［31］。土壤物理性质的变化主要表现在孔隙比、 渗透性和界限含水率的变化。其力学性质的改变表现为土体强度和弹性模量降低， 并且土的强度参数和应力应变曲线也会发生变化［31］。

冻融作用也会劣化衬砌材料。对于最常用的衬砌材料混凝土和沥青混凝土， 在多次冻融循环后， 密实度降低， 各强度指标大幅下降， 并且会出现大量裂纹， 造成结构安全隐患［50-54］。通常使用的防渗材料聚苯乙烯、 PVC等塑料材料在冻融循环作用下也会出现不同程度劣化、 刚度降低等现象［55-57］。此外， 在季节冻土区， 夏季气温较高， 高温可使塑料材料加速老化， 从而影响防渗性能。衬砌之间通常会留有伸缩缝来释放变形， 为减小伸缩缝渗漏， 通常会使用刚度较小的材料填充， 例如沥青、 橡胶等材料， 这些材料在夏季高温作用、 冻融作用和外部载荷作用下会出现劣化， 连接处破裂等现象， 影响防渗性能［58-61］。冻融循环作用是导致寒区输水工程破坏的重要因素。

2.4　地下水位

地下水主要影响冻结过程中的水分补给和融化时排水过程。渠基土壤含水率一般都超过起始冻胀含水率， 由渠基上部向下增大。由于土壤毛细水迁移作用， 冻结期水分向冻结锋面迁移， 作为补给水源， 地下水位埋深直接影响冻胀时水分补给及冻胀量。地下水位相同时， 由于土质不同， 其冻胀量差异极大。土质相同时， 地下水埋深越浅， 冻胀量越大， 反之亦然［9］。地下水符合防冻胀要求的安全深度为： H > h1+h2， 其中h1为冻结深度， h2为土壤毛细水上升高度， H为地下水埋藏深度［9］。根据以上要求， 可得到不同土壤地下水对冻胀无显著影响的临界深度为： 黏土、 重粉质黏土2 m， 重壤土、 中壤土1.5 m， 轻砂壤土1.0 m， 砂土0.5 m［62］。地下水埋深和冻胀率关系可表示为η=a·e- bD， 其中D为地下水埋深， a、 b为与土壤性质有关的参数［63］。由于渠道两岸一般经过灌区， 灌溉水和渠道渗漏水流入渠基土使局部地下水位升高， 据统计， 可使地下水埋深比最低时上升约1.8 m， 增加渠基土的冻胀量［8，18］。地下水中的易溶盐在冻融作用下使土体松散， 盐离子影响土体液塑限， 使土体在较小含水率时出现稀化状态， 地下水渗蚀破坏使浸润线下部土体塌入渠中， 破坏基土稳定性， 使其滑塌［14］。基于已有研究， 在设计和建设输水渠道过程中， 务必调查地下水埋深情况， 合理选择渠线和施工方案。

2.5　渠道走向

渠道衬砌破坏的一个重要原因是不对称变形， 其原因是基土由于温度、 水分等条件不同而导致的不对称冻胀和融沉。渠道走向、 表面倾角和所在地域不同， 阴阳坡和渠底受到太阳辐射明显不同， 使得基土温度场分布不对称， 冻深相差很大。南北走向的渠道， 温度场和冻深基本对称分布。东西走向渠道， 最大冻深发生在阴坡上部， 最小冻深在阳坡下部， 渠底冻深与阴坡下部相当［2］。阳坡冻胀深度比阴坡冻胀深度小55%， 北偏西15°走向渠道， 阳坡冻结深度比阴坡冻结深度小20%［63］。有研究表明阴阳坡温度最大相差4 ℃左右， 阳坡温度值与日间温度增加速率均大于阴坡［64］。阴阳坡温度不同， 冻深不同， 使得冻胀变形不对称不同步， 是渠道衬砌破坏的重要原因［65-68］。

2.6　衬砌材料和结构

衬砌可以减少渠水渗漏， 抵御一定冻融变形， 但不同材料和结构的衬砌适应、 抵御冻融变形和防渗能力不同。混凝土衬砌是最常用的衬砌材料， 通常有现浇混凝土衬砌和预制板混凝土衬砌。但是混凝土衬砌为薄壳结构， 强度和刚度有限， 很容易破坏， 因此工程人员还采用其他加强形式的混凝土衬砌， 如钢筋混凝土、 聚丙烯纤维混凝土、 沥青混凝土等［69］。合理的断面形式可使受力更加均匀， 增强衬砌抵抗变形能力， 常用断面形式有梯形、 弧底梯形、 弧形坡脚梯形和U型等， 但不同断面形式的允许变形和适用条件不同［8］。此外， 为增强防渗保温效果， 常在衬砌下方铺设保温防渗薄膜来减小冻融破坏， 常用的有玻璃丝布油毡、 土工布、 聚苯乙烯保温板、 PVC膜、 PE膜等［70-71］。不同衬砌材料和结构形式造价、 施工难度、 适用条件和抵御冻融灾害能力不同， 在工程中需结合各种因素合理选择。

3 寒区输水工程冻害防治方法和措施

3.1　衬砌破坏研究

寒区输水渠道输水效率降低和渗漏增加的一个重要原因是衬砌破坏， 衬砌破坏的主要原因是不均匀受力和衬砌材料劣化导致危险点破坏。衬砌受力复杂多变， 受多种因素影响， 常用理论分析和试验结合开展研究。

3.1.1　冬季停水渠道衬砌受力分析

在冻结期， 因土壤成分、 含水率、 水分补给状况等因素的不同， 衬砌板和基土之间作用力非常复杂， 衬砌受到分布不均匀的冻胀力、 冻结力及其他约束力， 综合作用导致衬砌开裂、 隆起， 融化时发生垮塌， 冻害十分严重。深入研究衬砌板受力状态对合理设计衬砌结构至关重要。渠床沿断面高度含水率分布不均匀致使冻胀量不均匀， 在衬砌板的约束下使得冻胀力也出现不均匀分布， 其大小可根据土体特性和地下水埋深等资料计算得到［72-73］。同时衬砌板在变形过程中还会受到板-土界面的冻结力作用［74-75］。在梯形渠道衬砌板受力分析中， 通常将衬砌坡板简化为简支梁， 法向冻胀力和切向冻结力在上部为0下部最大的分布力， 底板作用均匀分布冻胀力和坡板的约束力并假设冻结力均匀作用于坡板背面［75］。通过结构力学或断裂力学方法进行受力分析发现， 板面为一细长偏压构件， 坡板最大弯矩在距坡脚1/3处， 由于失稳易造成隆起架空； 底板受到坡板作用力和冻结力易弯曲破坏， 同时坡长、 板厚度、 坡度和接缝材料等因素都会影响衬砌安全［76-77］。不同断面形式的衬砌受力特征不同， 因此适用条件也不同。通过试验和原型观测， 对比冻胀变形， 发现梯形衬砌易产生冻胀破坏； 弧底梯形衬砌不易产生冻胀破坏，一般适用于中型渠道； 弧形坡脚梯形衬砌适用于宽浅式的大、 中型渠道； U形渠衬砌用于小型渠道是最佳的抗冻胀衬砌形式， 大U形渠衬砌由于渠深较大时， 水平方向承载力降低， 易产生冻胀破坏［78-91］。

3.1.2　冬季输水渠道衬砌受力分析

冬季输水渠道运行模式和安全性能与冬季停水渠道明显不同， 冰屑对渠道安全运行和衬砌结构完整影响很大［4］。相比冬季停水渠道， 出现三个变化： 一是高寒地区昼夜气温波动大， 使得冰盖周期性出现拉应力和压应力， 伴随裂纹逐渐产生和积累， 极端条件下冰盖断裂后出现冰塞事故。二是在水位线以下靠近衬砌部分的土体不会冻结， 从而使衬砌的受力条件和应力状态出现变化。三是冬季输水过程中水温、 水位和输水速度等管理问题面临重大挑战。考虑冰盖对衬砌的作用力后， 假设水位线以下渠基土无冻胀无变形而水位线以上的渠基土冻胀变形， 采用类似于冬季停水渠道衬砌受力分析的方法进行计算， 表明衬砌在冰盖附近容易被拉断或折断， 且水分补给充分导致冻胀变形较不输水渠道更大［22-24］。暗渠输水过程中水温的控制是安全运行关键所在， 其受到渠道埋深、 环境温度、 入口温度和水流速度等多种因素影响， 在设计时要进行充分论证［92-95］。

3.1.3　衬砌与基土之间作用力

由于水分、 温度、 土质时空分布不均匀， 衬砌与基土间相互作用非常复杂［96］。在衬砌和基土之间发生相对位移时， 界面产生剪切应力， 它受到衬砌接触面粗糙度、 土质、 水分、 含盐量和温度等多种因素影响。由于基土物理性质沿渠深表现出非线性变化， 因此导致界面剪切应力沿着渠深方向也表现出非线性变化［97］。在冻结过程中， 不同的界面温度、 含水率使冻结强度及界面特性不同， 在冻胀变形的不同阶段， 冻结力大小也不同。但以往的衬砌受力分析中都假设为均匀分布力或线性分布力， 在数值模拟中假设界面关系为库伦摩擦模型， 这与实际情况有较大出入， 在计算和设计时容易产生较大误差［98-99］。

3.1.4　衬砌冻害试验研究

除了进行理论分析， 许多学者对衬砌板的受力状态开展了试验研究［76］。室内模型试验主要对不同土体物理性质、 衬砌材料类型、 接缝材料类型及衬砌断面形式的影响进行了分析［100］。不同的土体物理性质会影响水分迁移过程及迁移量， 从而使得不同渠深位置发生冻胀的时间和冻胀量出现变化， 已有试验结果与理论分析吻合较好［101-102］。不同材料使得衬砌强度和刚度不同， 刚度较大材料可以抵御较强的冻胀力， 适用于大型渠道； 刚度较小的轻骨料混凝土衬砌由于应力释放较多， 产生的冻胀力较小， 但这种材料只适用于小型渠道［103］。此外， 随着试验技术的发展， 离心机模拟试验在研究渠道土体场变量演化过程中逐渐应用， 并且取得了良好的效果［104］。

在高地下水位区， 由于渗积水难以外排， 造成边坡冻胀滑塌， 排水问题较防渗问题更为严重。在渠道底部设置连续的纵向排水通道， 间隔设置横向排水管和盲井， 使用滤透式衬砌结构等方法均能有效的解决排水问题， 缓解高地下水位渠道滑塌和冻胀破坏问题［14］。但是， 目前这些方法多为经验方法， 缺少理论分析和定量化的研究。

目前对衬砌板受力状态的理论和试验研究已经很多， 但大多数基于较多假设， 模型过于简化， 无法真实反映衬砌板受力状态， 尤其对衬砌板与基土间相互作用的分析过于简单。此外， 冻融作用对混凝土强度刚度的弱化非常明显， 是衬砌板破坏的重要因素， 目前鲜有研究。

3.2　冻害防治措施

控制土壤冻胀和温度是防治冻胀灾害的主要措施， 常用方法有基土换填和铺设防渗保温层等， 在不同地质和施工条件下， 合理使用可有效降低冻胀。

3.2.1　基土换填

土体冻胀必要条件是水、 温、 土同时达到一定条件， 因此在防治渠道冻胀时可以从这三个方面开展。如将基土中冻胀敏感性土换为冻胀不敏感的粗颗粒土， 可有效减小冻胀， 常用沙和沙砾作为换填材料。对于低冻胀性土， 衬砌可以抵抗冻胀变形， 对于强冻胀性土， 衬砌无法抵抗冻胀变形， 需采取基土换填等其他措施［105］。因此需要科学的划分渠基土体冻胀敏感性， 同时还需考虑土体含水率、 地下水位及颗粒级配等影响因素。由于渠道衬砌具备一定的变形抵抗能力， 因此通常首先确定残留冻胀率与换填比例关系， 再对应不同的工程地质条件确定换填深度［106］。通过对渠道进行水热力耦合模拟， 能够较全面的考虑衬砌材料、 保温材料、 地质条件等因素对冻胀的影响， 从而确定残留冻胀率与换填比例关系［107-109］。许多学者对风积沙在渠道基土换填中的防冻胀效果进行了试验和理论研究， 风积沙换填可有效减小基土冻胀变形， 但在换填时要控制沙中细颗粒土含量， 为防止细颗粒土进入换填沙中， 可在换填界面处铺设无纺布或反滤料［110-113］。

3.2.2　铺设防渗保温层

将衬砌和防渗保温层结合构成复合衬砌来减小冻胀已广泛应用。由于防渗保温薄膜强度较低， 通常铺设于衬砌下方， 常用的防渗保温薄膜有PE、 PVC及其改性膜， PVC复合土工布， 沥青玻璃丝布油毡， 聚苯乙烯泡沫塑料板， 憎水珍珠岩板等， 根据他们不同特征， 选择使用在不同形式渠道中， 合理使用起到良好防渗保温效果［18］。各种新型材料不断研制， 提高了防冻胀效果， 降低成本， 如使用植物碎屑填充的复合型聚氨酯泡沫保温塑料板［114-120］， 复合土工膨润土垫［121］。同时， 防渗保温效果的定量化研究， 施工技术和材料铺设方式也在不断改进［122-127］。

无论现浇衬砌还是预制板衬砌都设有伸缩缝， 伸缩缝往往是最容易破坏的地方， 因此， 合格的伸缩缝填充材料非常重要。最初大多使用沥青砂浆， 但在冻融作用下很容易开裂， 后来采用弹性较好的聚氯乙烯塑料胶泥、 焦油塑料胶泥， 橡胶止水带， 石油沥青聚氨脂接缝材料等［116］。目前对衬砌接缝材料在冻融作用下的破坏特征研究很少。

3.3　基土水热力分析

不均匀冻胀导致衬砌破坏， 冻胀是水-热-力-盐等多物理场耦合作用产生的， 综合考虑多场作用才能更准确模拟冻胀过程， 找出不同条件下冻胀原因， 确定合理的治理措施。有关冻土水热力耦合的研究已经大量的用于路基等工程的优化设计中， 但渠道基土有其特殊的因素存在。由于渗漏总是无法完全避免， 渠道基土含水率通常较大， 这在冻结过程中会提供充足的迁移水分致使冻胀较为严重。此外， 渠道衬砌为薄壳结构， 在冻胀力作用下容易破坏， 在水热力耦合计算时必须考虑。最后， 渠道边坡在冻融循环作用及水力作用下由于结构损伤及土壤流失容易造成滑坡［128］。通常， 通过耦合热质迁移模型与基土和衬砌的力学本构模型分析渠道冻结或融化过程中的稳定性问题。Harlan模型是最常用的热质迁移模型， 已经被许多学者证明［129-132］。基土本构模型常采用弹性模型、 弹塑性模型、 损伤模型及蠕变模型［133-137］。衬砌本构模型考虑较为简单， 常用弹性模型或断裂模型［138-140］。此外， 复合衬砌的保温效果及伸缩缝的变形特征也会有显著影响［141-142］。目前对冬季停水渠道的水热力耦合分析已经开展了很多工作， 但对冬季输水渠道的研究相对较少。此外， 基土-衬砌-水-冰盖等要素作为一个整体系统， 在研究分析时需要同时考虑。

3.4　运行管理

渠道建设和运行过程中， 科学合理的设计标准和管理方法非常重要。目前已经制定了《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》《渠系工程抗冻胀设计规范》《渠道防渗工程技术规范》《水工建筑物抗冰冻设计规范》［143-146］， 这些规范在寒区渠道建设中起到重要作用。渠道建设过程中除了安全性， 往往受到资金限制， 在不同条件下选择不同建设方法［147］。渠道运行过程中的管理和维护对渠道使用寿命影响很大， 合理选择冬季停水日期和春季开灌日期对渠道冻胀破坏的控制影响巨大［148］。冬季输水渠道的水温控制， 冰盖形成控制， 冰屑预防等都会影响到渠道安全运行［149］。在运行过程中， 由于各种原因肯定会出现破坏现象， 此时， 要采取合理的方法及时维护， 防止破坏进一步恶化， 才能保证输水安全［150-153］。

4 结论与展望

在占有我国一半土地的季节冻土区和多年冻土区修建有大量输水渠道， 这些渠道对工业、 农业生产和人民生活用水提供保障， 但是由于反复冻融作用以及设计建设过程中缺乏科学依据， 渠道建成后破坏严重， 严重影响社会生产和人民生活， 并且每年修复花费大量人力物力。因此， 许多科技人员开展了大量研究， 包括对基土冻胀性分类， 基土水热力分析和试验， 衬砌受力分析， 防渗保温措施研究等， 这些工作对寒区渠道建设提供了巨大帮助。但是， 目前的研究中尚有一些值得深入探讨和研究的问题， 主要有：

（1）已有研究在衬砌受力分析时大多将基土与衬砌间冻结作用力简化为分布力， 在基土沿深度方向上复杂的水分、 温度条件下， 这种简化很难正确描述基土与衬砌间的作用力。因此， 对基土与衬砌间在不同水分、 温度条件下冻结力冻胀力的变化规律的研究至关重要。

（2）衬砌破坏主要原因是不均匀冻胀和融沉引起。已有研究表明在冻融作用和水力作用下， 普通混凝土的性能劣化非常严重， 因此在研究衬砌破坏特征时， 应将混凝土的劣化过程相结合， 提出更合理的衬砌破坏准则。此外， 目前对冬季输水渠道衬砌破坏规律的研究较少， 需进一步研究。

（3）高寒地区输水渠道不但受到冻融循环作用， 还会受到干湿交替作用， 而寒区渠道基土在干湿交替作用时的性能变化研究目前很少， 在未来研究中， 需要考虑这一因素的影响。

（4）已有研究大多数关注渠道衬砌横向变形和破坏， 而对纵向变形破坏研究很少， 但渠道作为线性工程， 纵向变形破坏在所难免， 因此有必要开展渠道纵向变形和破坏特征的研究。

（5）对于各种各样的防渗保温材料， 他们性能效果也不尽相同， 在设计施工时大多根据经验来选择材料和铺设方式及厚度， 因此， 建立科学合理的防渗保温材料分类和适用条件可以得到更好的效果和经济效益。

（6）伸缩缝对释放衬砌变形至关重要， 但同时也会造成渗漏， 从而影响下部基土稳定性， 因此开发抗冻耐盐止水材料和施工工艺可提高防渗效果。

（7）渠基土水热力分析方面主要采用路基等其他工程中相似的方法， 对渠道基土独有特征的考虑较少。以后研究中应考虑渠道基土水分分布等特征， 并结合衬砌对基土的约束作用来开展工作。

（8）以往渠道在陆面冻结前期就要停止输水， 以排干基土多余水分， 防止冻害， 这样使渠道利用率很低。为提高渠道利用率， 延长输水时间， 应根据渠道区域温度变化规律、 渠道性能， 开发渠道低温输水和冰盖下安全输水控制技术。

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大U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型及数值模拟

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季节性冻土区引水暗渠的临界埋深数值分析

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