全 文 ：第 7 卷　第 2 期 防　渗 　技　术 Vol.7　No.2
2001 年　6月 Technique of Seepage Control Jun., 2001
榆科分干渠混凝土衬砌的冻害分析
祁顺 杰 , 　张永 增 , 　孟建法
(河北省石津灌区管理局 , 河北石家庄　050051)
摘　要:榆科分干渠是在原塑膜防渗基础上改用的混凝土衬砌。冻胀观测成果表明 , 原塑膜层阻隔渠道渗漏水的
下渗 ,膜上基土含水量增大 , 致使衬砌块发生严重冻害 , 因此 , 应对原塑膜防渗层进行适当处理 , 消除其隔渗作用。
对大型抛物线形渠道衬砌工程 ,必须做好防冻胀设计。
关键词:渠道;混凝土衬砌;冻害
中图分类号:T U445　TV[ 93] 　　　文献标识码:A　　　文章编号:1008-9829(2001)02-0022-03
Analysis on Freezing Damage of Concrete of Yuke Sublateral Main Canal
QI Shun-jie , ZHANG Yong-zeng , MENG Jian-fa
(Shijin Irrigation Area Authority , Shij iazhuang , Hebei , 050051)
Abstract:The results of f rost-heaving observation f rom Yuke sublateral main canal , lined with concrete on the
base of original plastic membrane , demonstrate that the concrete Lining blocks of the canal are damaged seriously
by f reezing because seepage w ater is resisted by the original plast ic membrane that should be t reated to eliminate
seepage risisting function.The design of f rost-heaving pro tection must be made well for lining works of large
parabolic canal.
Key words:canal;concrete lining;freezing damage
1　概　况
榆科分干渠是河北省石津灌区总干渠下
游的一条骨干渠道 ,建于 1968 年 ,担负 3.5
万亩农田的灌溉输水。1978 年全渠段进行
了薄膜防渗 ,薄膜埋置深度为 0.4m。 1999
年 5月灌区续建配套进行了 4380m混凝土衬
砌 ,其中南北向渠段长 1000m ,东西向渠段长
3380m。渠道衬砌断面为抛物线形(x2=8y),
渠宽 7.16m ,渠深 1.6m ,设计流量 4.63m 3/ s。
混凝土衬砌板厚为 7.0cm ,混凝土强度等级
为C13。横向伸缩缝间距为 4m ,南北向渠段
不设纵向伸缩缝 ,东西向渠段在渠底设置纵
向伸缩缝 ,缝内填塞建筑油膏 ,填料上部用水
泥砂浆勾缝保护。
2　冻害状况及特点
衬砌工程于 1999年秋灌投入运用 ,经一
个冬季 ,即发生了强烈的冻害。冻害形式有
混凝土衬砌裂缝 、上抬 、分缝处错位 、衬砌板
与基土脱离等。冻害情况具有下列特点:
(1)渠段冻害程度 ,东西向较南北向渠
段严重。东西向渠段 , 779 块混凝土板中仅
17块未产生裂缝 ,破坏率达到 97.8%;南北
向渠段的破坏率为 50%左右 。
(2)东西向渠段的冻害程度阴坡较阳坡
严重。阴坡衬砌裂缝宽度一般大于 0.5cm ,
大者达 1.5cm ,渠坡衬砌顶部与基土脱离 ,大
收稿日期:2001-06-06
者达 10.0cm;阳坡衬砌裂缝宽度多在 0.3cm
左右 ,个别板块达到 1.0cm ,渠坡衬砌顶部与
基土脱离较小。
(3)阴坡衬砌裂缝部位较高 ,一般在 1/3
～ 2/3高度位置;阳坡衬砌裂缝部位较低 ,一
般在 1/3高度以下。
3　冻胀观测
为观测衬砌的抗冻胀效果 , 1999 年冬
前 ,在东西向渠段 ,设置了观测断面 ,对渠道
不同部位的冻前含水量与衬砌变位进行观
测。阳坡设置三个观测点:距衬砌顶部 15cm
处 ,称阳坡上;沿坡面距渠底中缝 200cm 处 ,
称阳坡中;距渠底中缝 15cm 处 ,称阳坡底。
阴坡设置四个观测点:距渠底中缝 15cm 处 ,
称阴坡底;沿坡面距“阴坡底”测点 123cm
处 ,称阴坡下;沿坡面距“阴坡下”测点 123cm
处 ,称阴坡中;距衬砌顶部 15cm 处 ,称阴坡
上。同时还进行了地下水位观测 ,并采用邻近
的深州气象站的气象资料。其观测成果分述
如下。
3.1　气候条件
1999年冬季 ,极端最低气温为-15.6℃,
负气温指数为 226.8℃.d , 最大冻深为
42cm 。
3.2　土质
渠道下部为粘土 、粉质粘土 ,上部为粉质
壤土 ,均为冻胀性土。
3.3　水分条件
冻结期 ,地下水位距渠底的平均距离约
3.0m ,处于向冻结层补水的临界状态。各观
测点基土的冻前含水量见表 1 ,除阴 、阳坡上
观测点的含水量相对较小外 ,其余观测点的
含水量都较大 ,且大于塑料薄膜下的含水量 ,
说明原有的防渗塑膜阻止了渠道渗漏水的下
渗 ,使塑膜上的土层处于较大的含水状态。
表 1　各观测点基土的冻前含水量
观测点 阳坡上 阳坡中 阳坡底 阴坡底 阴坡下 阴坡中 阴坡上 塑膜下
含水量(%) 19.45 28.54 25.31 25.31 26.79 25.26 19.14 24.99
3.4　衬砌变位
上述的气候 、土质 、水分条件都是致使基
土将发生强冻胀的基本要素 ,各观测点的衬
砌变位见表 2。阳坡块 ,坡底位移最大 ,比阳
坡中 、上大 4.1 ～ 4.7cm;阴坡块 ,位移量较大
部位为阴坡中 、下 、底 ,最大位移在阴坡下 ,阴
坡上位移较小。
表 2　渠道衬砌各部位的位移量
观测点 阳坡上 阳坡中 阳坡底 阴坡底 阴坡下 阴坡中 阴坡上
位移量(cm) 0.956 1.558 5.692 6.814 7.208 5.036 2.412
4　冻害原因分析
(1)阳坡衬砌块 ,坡中 、坡上部受日照直
射 ,冻深较小 ,坡底部受日照斜射 ,并有遮阴
影响 ,冻深较大 ,在加上基土含水量也是坡上
部最小 ,坡底部较大 ,从而造成冻胀分布为坡
底部较大 , 而坡中 、坡上部较小。从表 2 可
见 ,阳坡底的冻胀位移量比阳坡中的大
4.134cm ,冻胀分布很不均匀 ,在坡底至坡中
之间必然产生裂缝破坏 ,所以 ,阳坡衬砌块的
裂缝位置较低。
(2)阴坡衬砌块 ,坡下部遮阴时间长 ,冻
深大 ,基土含水量又大(见表 1),所以冻胀位
移量最大 , 比坡上部的冻胀位移量 大
4.796cm ,致使阴坡衬砌块在较高的部位(坡
中附近)发生裂缝 ,坡上部与基土脱离。如果
混凝土强度较高 ,衬砌块上部架空而不断裂 ,
则造成衬砌块顶部与基土较大的脱离宽度 ,
大者可达 10cm以上。
(3)南北向渠道 ,两岸坡受日照条件均
等 ,基土冻深冻胀对称发展 ,且量值不大 ,地表
温度在冬季多呈昼正夜负变化 ,衬砌块下冻土
层相应存在昼消夜冻状况 ,冻胀位移量较小 ,
冻胀分布较均匀 ,所以 ,冻胀破坏程度较轻。
·23·第 2 期　　　　　　　　　　　　祁顺杰等　榆科分干渠混凝土衬砌的冻害分析
5　结　语
5.1　抛物线形断面渠道的混凝土衬砌 ,为曲
线薄壳结构。小型渠道采用抛物线形断面 ,
混凝土衬砌的整体性较好 ,具有一定的抗冻
胀效果。大型渠道 ,用抛物线形断面 ,应视预
测的基土冻胀状况 ,选用合理的混凝土衬砌
的强度等级和厚度 ,并进行适当的分块 ,以适
应冻胀 ,或采取必要的削减冻胀措施。
5.2　榆科分干渠冻害的原因 ,主要是原塑膜
防渗的土质保护层产生强冻胀的结果。原塑
膜防渗层阻隔渠道渗漏水下渗 ,造成膜上基
土水分增大 ,发生强冻胀。因此 ,对埋藏式塑
膜防渗的土质渠道改用混凝土衬砌时 ,应对
原塑膜防渗层进行适当处理 ,消除其阻隔渗
漏水的作用。
5.3　榆科分干渠混凝土衬砌设计中 ,未进行
防冻胀设计 ,是造成工程冻害的人为因素。
对寒区渠道衬砌工程 ,必须做好防冻胀设计 ,
以确保工程安全。
(上接第 21页)
图 1　等效导热系数与地下水埋深关系
3　结　语
当地下水埋深较小 ,基土呈开敞系统冻
结时 ,影响冻土层等效导热系数的主要因素
为地下水埋深 ,等效导热系数与地下水埋深
呈指数函数关系。同时 ,冻前含水量也有一
定的影响 ,但相对较小。随着地下水埋深的
增大 ,地下水对冻土层等效导热系数的影响
逐渐减小 ,冻前含水量的影响逐渐由次要因
素转变为主要因素。
参　考　文　献
[ 1] 丁德文 ,叶拔友.基础保温层厚度的确定方法.
第三届全国冻土学术会议论文选集.北京:科学
出版社 ,1989.218 ～ 224.
[ 2] 李书民等.南水北调工程防冻胀保温层厚度计
算方法讨论.河北水利水电技术 , 2000 , 92(3):
53 ～ 54.
·24·　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　防渗技术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 7 卷