灌区渠道冻胀防治措施浅析

陈焰炯 石江琳

（新疆兵团勘测设计院

（集团）有限责任公司石河子分公司 新疆 石河子 832000）

1 引言

灌溉渠道防渗衬砌是减少输配水沿程损失、提高水资源利用效率、增强渠道岸边抗滑稳定性能以及控制灌区地下水位的工程中广泛采用的技术措施。据相关研究表明，没有任何防护衬砌的土渠，其沿程渗漏损失水量约占整个渠道总引水量的35%～60%左右，水资源浪费十分严重。由此可见，渠道防渗衬砌所具有的节水潜力相当大。灌溉渠道防渗衬砌防护工程虽在很大程度上提高了渠道引水资源的综合利用效率，促进了节水农业的可持续快速发展，但在季节性冻土灌溉区，渠道衬砌结构的冻胀破坏问题一直是制约灌溉渠道工程建设发展的一大难题。通过一系列大型灌区普查发现，渠道衬砌阴坡的平均冻胀率较高，几乎可以达到72.6%，阳坡为27%。灌溉渠道衬砌的冻胀问题，不仅影响到渠道工程高效、经济和安全运行，同时还给灌区工程实际运行管理带来巨大困难，大大缩短了水利工程综合使用寿命，因而，对渠道冻胀破坏的影响因素进行深入研究，就成为水利工程工作人员研究的一个重要课题。

2 概况

2.1 灌区及渠道基本情况

新疆某灌区远离海洋，气候干燥，属大陆性干旱气候，冬冷夏热，日温差大，光照充足，热量丰富，雨量稀少，蒸发量大。根据当地气象站观测资料，灌区内气象子单元有一定差异，年平均气温7.0℃左右，极端气温为-42.2℃～43.1℃和-38℃～43.2℃。灌区范围内自上向下年温差逐渐增大，无霜期152天～169天。灌区最大冻深1.60m。

目前，灌区内渠道衬砌普遍采用的处理方法是对基土进行换填处理，将渠道内的冻胀性土壤换填成40cm厚砂砾料。但经过多年观察，每到冬季，渠道衬砌的混凝土表面均因冻胀产生了不同程度的变形、断裂，且换填施工时开挖量大，施工困难，施工质量又难以保证，换填厚度往往达不到要求。

2.2 灌区冻胀表现形式

2.2.1 表面剥蚀

该灌区渠道均为混凝土衬砌，因砼材料内含有一定水分，在负温下冻结成冰，体积膨胀，当其作用力大于砼强度时，就会产生裂缝，并增大吸水性，经过多个冻结—融化循环和应力的反复作用，灌区内砼表面砂浆面层部分剥蚀。究其原因，应该是施工过程中砼表面振捣不密实所造成。

2.2.2 鼓胀及裂缝

在冬季，该灌区温度较低，渠道砼衬砌板与基土冻结成一个整体，承受着冻结力、冻胀力以及砼板本身收缩产生的拉应力，当这些应力值大于砼板在低温下的极限应力值时，渠道板体就会发生破坏。在灌区内，尺寸较大的砼板顺水流方向，衬砌出现冻胀裂缝，缝位一般在渠坡脚以上1/4～2/3坡长范围内和渠底中部。经实测，在灌区冬季渠内存水时，裂缝一般出现在水面附近的渠坡上。

2.2.3 隆起、架空

灌区内有些渠段地下水位较高。冻胀量大的地方往往出现在渠底，渠顶冻胀量相对较小。经观测，在地下水位较高的渠段，在渠底中部或坡脚处，衬砌出现大幅度隆起、架空现象。

2.2.4 滑塌

该灌区的部分衬砌渠段有冻融滑塌现象发生。多次冻融破坏，使坡地、坡脚处砼衬砌板架空、隆起，春季基土融化期，原本受力的部位失去平衡稳定，砼衬砌板被推开，上部衬砌板塌落，渠坡滑塌。

2.2.5 整体上抬

经观测，在该灌区的部分渠段，由于混凝土衬砌整体较好，基土填充均匀，渠道内衬砌破坏并不明显。但是，通过水准仪可以测到，渠段有整体抬升或下沉现象发生。

3 冻胀机理分析

渠道冻胀的条件包括土壤内土体、水的颗粒物理性质和低温等，而渠道冻胀破坏源于渠道基土体积因受冻而发生膨胀，直至破坏渠道衬砌混凝土。首先，寒冷地区负温的持续存在为渠道冻胀破坏提供了前提条件；其次，由于施工质量等原因，加上土壤内的毛细水和自由水、外界水分的持续性补给为渠道冻胀破坏提供了先决条件和必备条件；最后，土壤内土体的物理力学性质（如矿物质成分、土体颗粒等）为渠道破坏提供了条件。基于上述三大条件可知，水始终是整个渠道冻胀破坏的活跃因子和必要元素。

调查结果显示，某灌区渠道冻胀破坏现象主要分布在中下游，究其原因：寒冷地带灌区中下游土壤颗粒较细、地下水位较浅、土壤内毛细水和自由水补给量大，若该地区气温持续负温，土壤内毛细水和自由水必然因受冻而发生体积膨胀，进而导致渠基土体膨胀，顶托混凝土衬砌，最终导致渠道冻胀破坏。渠道冻胀破坏已经成为制约该灌区经济发展的重要影响因素，其亦是渠道建设必须要攻克的重点难点。

4 灌区冻胀防治措施

结合该灌区的具体情况，提出了以下三种防治冻胀的措施，现分别介绍如下。

4.1 渠基土换填法

渠基土换填法具有保温作用明显、优化渠基土体结构等特点，具体表现在如下几个方面：若渠道建设地附近换填材料充足，则渠基土换填法可有效控制渠道建设成本；若渠基土换填较彻底，且换填质量符合工程设计要求和国家现行规定，则该处理方式可长期规避渠道冻胀破坏现象的出现。无可否认，渠基土换填法亦存在如下不足之处：①渠基土换填法具有换填土方量大等特点，该特点对换填材料需长距离运输的情况是相当不利的，即该处理方式在某些情况下，施工成本会异常的高；②渠基土换填施工难度系数大，进而不易控制渠基土换填的施工质量。某灌区部分冻胀破坏严重的渠段，刚好渠道附近有丰富的弱冻胀土材质-沙砾石和风积砂，再加上此渠段为半挖半填渠段，综合各种因素考虑，采用渠基土换填法防治渠道冻胀破坏。经过一段时间的运行观测，效果良好。

4.2 单一的铺设苯板保温材料

近年来，渠道冻胀破坏的苯板保温法被广泛应用，其对防止渠基土冻胀破坏具有很好的效果，但其仅具备保温作用。采用苯板保温法的理由如下：苯板材料属于一种新型材料，其抗冻效果非常好，且已由苯板抗冻试验资料证实，苯板厚约10cm的保温效果等效于砂层厚约100cm；苯板保温法施工难度系数不大，且对渠道断面开挖要求不高，即渠道断面开挖面积不大，无需挪动基土，仅需把苯板直接安置到渠基土断面或把材料直接衬砌到苯板上；苯板保温法对施工机械的数量要求较少，人工劳动强度较低，且苯板保温法无需换填渠基土，进而有效控制了施工成本，尤其是渠基土换填材料运距过大时，苯板保温法的经济性更加明显。该灌区是一个运行了几十年的老灌区，冻胀破坏严重，渠段较长，自部分渠段铺设苯板保温材料防治冻胀以来，效果明显，且经济实惠，给灌区带来了可观的效益。

4.3 适当布置渠道伸缩缝

经实测，在该灌区，裂缝多产生在2m～4m之间，尤以3m～4m居多。根据这个结果，拟定在渠系改建过程中，施工缝设置在2m～5m之间，设置太密，会增加工程量，影响施工进度；太少又起不到作用。考虑到施工的便利，每3m～4m设置一道。并且在基础变化（如土石交叉）地段增设变形缝，同时加厚基础衬砌材料，避免因不均匀沉陷造成断裂。从缝隙漏水情况看，是因为缝隙中没有填塞物或填塞物没有起到作用而漏水，所以，要在缝隙中铺设具有较好低温延展性、高温稳定性的材料，防止渗漏的发生。

这里提到一个新材料-SBS改性沥青防水卷材，它是以SBS橡胶改性石油沥青引为浸渍覆盖层，以聚酯纤维无纺布、黄麻布、玻纤毡等作为胎基，以塑料薄膜为防粘隔离层，经选材、配料、共熔、浸渍、复合成型、卷曲等工序加工制作成的低温柔性较好的防水卷材。这种卷材具有很好的耐高温性能，可以在-25到+100℃度的温度范围内使用，有较高的弹性、耐疲劳性以及耐撕裂能力，适合北方寒冷地区，以及变形和振动较大的工业与民用建筑的防水工程。在伸缩缝处嵌入SBS改性沥青卷材，此法的优点是：能在主体工程施工的同时进行，且不需要其它的设备，施工便利，节约工期。缺点是：很多工人没有接触过这种方法，要在施工现场进行培训，加大了施工管理工作量；材料价格相对较高，但由于渠道断面较小及施工简便，折算后的投资单价并不比沥青砂浆灌浆法高。

5 结语

冻胀破坏处理方式的选择应该综合考虑冻胀三大因素的影响和工程施工的经济性，但不主张针对某一地区或某一工程采用单一的冻胀处理方式。如某灌区，在部分基土材料充足的渠段采用渠基土换填法，部分不适宜换基土的渠段采用铺设苯板保温材料的方法，同时，在改建过程中，缝间隙填充改性沥青防水卷材，经实际运行，防冻胀效果良好。所以，渠系防冻胀是一个系统工程，应该综合考虑施工对象的有关影响因素和施工成本，把多种防冻胀处理办法配合使用，且做到主次分明，如切断土壤内水分补给方式+渠基土换填法；戈壁层/砂+苯板保温或塑料薄膜保温法，以此减轻或消除渠道冻胀破坏现象。