浅议渠道防冻胀处理方法

杨利红，崇岩峰

(1.河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北 石家庄 050021；2.蔚县水务局，河北 蔚县 075700)

1 项目区概况

为促进水资源的节约和高效利用，《21世纪初期（2001—2005年）首都水资源可持续利用规划》安排了灌区节水改造工程，河北省张家口市蔚县壶流河灌区节水改造是整体工程的重要组成部分。蔚县壶流河灌区为大型灌区，地处东经114°12′～115°04′、北纬39°44′～40°11′，位于蔚县盆地中西部的壶流河两岸。灌溉工程西起山西省广灵县与河北省蔚县交界的暖泉镇，南至蔚县北口峪，北至蔚县北水泉镇，东至蔚县西合营镇，整个灌区沿壶流河呈带状分布，总面积320 km2。

1.1 气象条件

蔚县壶流河灌区位于张家口市西南部，海拔在850～2 882 m之间，属大陆性季风气候，具有夏季炎热、冬季寒冷、温差较大、多风少雨的气候特征。灌区多年平均气温6.5℃，极端最高气温37.3℃，极端最低气温-35.3℃。灌区地面稳定冻结日期通常在11月中下旬，稳定解冻日期在3月中上旬，平均无霜期90～120d，年平均冻土深度1.3m，年平均日照时数2924 h，年平均蒸发量1 591 mm，年平均风速1.8 m/s，年平均干燥度为2.06。

1.2 水文地质条件

灌区大部分处于河流冲积平原的富水区，其次是山前堆积平原区，地下水赋存条件差异较大。

（1）河流冲积平原区：分布在壶流河沿岸狭长地带，包括一级阶地及河漫滩，含水岩性以中细沙为主，局部粗砂、砾石，揭露深度2～5 m，地下水位埋深1.5～5 m，单井涌水量10～40 t/h。

（2）山前堆积平原区：①山前冲洪积扇富水区分布在石门峪、北口峪、九宫口峪等南山山前，岩性为砂砾卵石，局部漂砂或夹黏性土，含水层厚度相差悬殊，地下水埋深5～110m，单井涌水量大于40t/h。②山前冲洪湖积台地贫水区分布在暖泉、宋家庄、陈家洼、西合营一带，呈零星分布，含水岩性以粗砂、粉砂、砾石为主，揭露深度为2～20 m，单井涌水量10～20 t/h。

1.3 工程地质条件

灌区沿壶流河呈带状分布，以壶流河河谷为界，壶流河以北为浅山丘陵区，壶流河以南属山前冲洪积平原区。灌区区域内地势比较平坦，海拔高度为800～1 000 m。

灌区土壤大部分为轻质砂壤土，表层岩性主要为第四系上更新统和下更新统，上更新统以冲洪积亚黏土、黄土状亚砂土、砂及砂砾石为主；下更新统上部以湖相沉积黏土、亚黏土为主，下部以砂、砂砾石地层为主。

2 渠道冻胀破坏形式和原因分析

根据《21世纪初期（2001—2005年）首都水资源可持续利用规划》实施安排，蔚县壶流河灌区2003年完成1期工程干渠衬砌45.36 km。竣工的北干渠在渠道运行两年后，混凝土现浇梯形断面的部分渠段出现了一些裂缝和冻胀，也有部分渠段出现隆起和断裂等现象，不仅降低了渠道的防渗效果，还造成了水资源的浪费，增加了灌区的每年维修费用，给灌区的管理带来不便。为能给2期工程的实施提供经验，从现有的破坏渠道进行分析总结原因，因地制宜地提出合理防冻胀措施。

2.1 冻胀破坏的形式

现浇混凝土板裂缝、隆起，一般位于渠底中部和渠坡（1/2～1/3）处常见位置，裂缝宽度为0.1～1 cm，隆高1～3 cm。

2.2 冻胀破坏的原因

根据已冻胀破坏渠段调查总结材料，地下水位较高的、深挖方的黏性土渠段，现浇混凝土板裂缝、隆起现象比较严重。渠道基土中含水量比较高，在冬季负温作用下，土壤中的水分发生冻结而造成土体膨胀，使混凝土衬砌开裂、隆起而折断。在春季消融时又造成渠床表土层过湿，使土体失去强度和稳定性，导致衬砌体的裂缝和隆起，同一渠段冻胀破坏又以渠底、渠坡下部和阴坡比较严重。

灌区防渗渠道冻胀破坏的主要原因包括：

（1）地下水位高。灌区从3月上、中旬开始进行春灌，封冻期停水。其间，黏性土渠基土含水量较高，排水不畅，渠基离地下水较近，冻胀量比较大；而渠顶冻胀量较小，冻胀分布的不均匀性导致混凝土板隆起和架空。

（2）混凝土板尺寸过大。现浇混凝土板过大不能适应温度变化引起的收缩变形，会形成纵、横裂缝或隆起。

（3）沉陷裂缝。由于挖渠时对坡基原状土的扰动过大，致使边坡基土密实度达不到要求，加上渠基回填土压实度不够、均匀性差，当渠道两侧的耕地进行灌溉时，灌溉水从耕地向渠道两侧回灌，侵入的水分到冬季产生冻胀造成混凝土板开裂或滑塌。

3 渠道防冻胀措施的应用

根据1期工程冻害形成原因，从实地情况的渠道设计、渠基处理、保温以及衬砌的结构形式等进行综合分析，2005年壶流河灌区2期防渗衬砌工程在保证安全的前提下，费用最省、投资最小，因地制宜地选择适合各渠段的防冻胀措施。

3.1 针对地下水位较高的措施

灌区渠首位于水库下游，地下水位较高，采用M7.5浆砌石挡土墙结构型式，实施渠底干砌石。该种衬砌型式整体性较好，抗冻能力强。其缺点是衬砌断面大，造价高，渠床糙率高，在同等断面情况下，过水能力小，所以在地下水位高不需要考虑渗漏的渠首部位采用该种型式。

对于地下水位高的黏性土渠段，采用换填法，将冻结深度内的黏性土换成非冻胀性材料砂砾碎石垫层，渠基含水量大大减少，有效防止了冻害的发生。

3.2 针对混凝土板尺寸过大的措施

干渠底宽大于1.50 m的渠道采用弧形坡脚梯形断面在渠底加两条肋梁，底宽和边坡大于3m的进行切缝，如图1所示；小于1.50 m的渠段及支渠均采用U形断面，如图2所示。

弧形坡脚梯形断面渠底加肋梁、U形断面衬砌渠道在《21世纪初期（2001—2005年）首都水资源可持续利用规划》张家口市各灌区2期工程中开始应用，目前张家口地区的5个灌区得到了广泛的推广实施。与梯形、矩形断面相比，其主要优点是：①水力条件好，近似最佳水力断面，过流能力优于梯形渠道，输沙能力强，有利于高含沙引水；②断面结构加肋梁可以增加混凝土板的刚度，渠底、边坡切缝可以使不规则裂缝规则化；③可以大面积采用机械化施工。

图1 干渠衬砌断面

灌区还采用了隔热保温措施，即在渠道衬砌体下面铺设一层厚度为12 cm的聚苯乙烯保温板，它阻止或削弱了渠床基土与外界的热量交换，不使基土温度大幅度下降，减少了冻结深度，可有效地避免渠道冻胀破坏。聚苯乙烯保温板具有吸水性小、不透水、耐腐蚀、抗老化等优点，缺点是与弧形坡脚梯形断面渠底加肋结构防冻相比造价高，地下水位高的渠段不适合，容易被浮托。

图2 支渠衬砌断面

3.3 针对沉陷裂缝的措施

灌区节水改造工程施工中一般采用机械化施工，对渠道开挖一次成形，容易超挖。为了避免超挖，应采用挖掘机粗挖、人工精挖的方法，尽量不超挖，万一出现局部超挖现象，则利用修整的土料洒水进行夯实回填。总之，回填土压实度要达到设计要求，混凝土抗冻性能能够达到设计标准，杜绝因施工质量渠道产生冻胀破坏现象。

此外，冬季不运行的渠道封冻前应将渠道中的余水排干，保持渠道干燥，这样可以减少冻胀对渠道的损害。同时，对产生冻胀破坏的渠段要及时维修，以免破坏现象扩大蔓延。

4 结语

渠道冻胀破坏在河北省张家口市大多数灌区普遍存在。该地区混凝土衬砌渠道技术应用日益广泛，各灌区节水1期和2期实施项目工程现浇混凝土渠道完好率在95%以上。所以，总结渠系防渗抗冻胀技术应用经验，不断完善和推广渠系防冻胀工程技术，是提高灌溉用水有效利用率的关键环节和重要保障，更是为农业发展奠定良好的基础。