兴电工程干渠冻胀原因及防治措施

杨志平

（甘肃省白银市兴电工程管理局，甘肃平川 730916）

兴电工程干渠冻胀原因及防治措施

杨志平

（甘肃省白银市兴电工程管理局，甘肃平川 730916）

通过对兴电灌区干渠冻胀调查，分析冻胀原因并对冻胀渠进行分类，从而制定冻胀渠的维修、管护计划和防治措施。达到渠道安全运行的目的。

渠道；冻胀；防治

一、工程概述

兴电灌区位于甘肃省靖远县、平川区与宁夏回族自治区海源县、沙坡头区四县区接壤地带，是甘肃省中部大型高扬程灌区之一。灌区年平均降水量200 mm，蒸发量2 390 mm。工程建于1976年，1984年10月通水，建有泵站9座，总扬程477 m，总装机容量8.64万kw，设计流量9.6m3/s、灌溉面积30.18万亩、提水量1.2亿m3。工程建成运行后，解决了甘肃和宁夏10个乡镇18.3万人畜饮水困难问题，极大的改善了灌区群众的生产和生活条件。

二、冻胀的严重性与危害性

兴电灌区属于北方灌区，渠道因基本反复冻融，冻胀，隆起沉降，造成衬砌板开裂，拉缝错位，滑坡坍塌，影响渠坡稳定，缩短了防渗衬砌的使用寿命，造成防渗板裂缝，尤其是总干渠和东干渠走向为东西走向，且在山的阴坡面，冻胀尤为厉害，通常把上述结果称为冻害。它主要危害有：

（一）从表面看

造成的渠道衬砌，膨胀，隆起，沉降，产生裂缝，滑坡，坍塌，通水时渗漏，湿陷决口。

（二）对灌区的灌溉运行带来不良的后果

造成渠道跑、冒、渗、漏的重要原因，致使渠水利用率下降，造成浪费。

（三）短了渠道的使用寿命

由于冻胀破坏，还需要大量的人力，物力和资金来进行维修，不仅增加了开支，提高了成本，还会影响正常灌水秩序。

（四）由于冻胀造成渠道的决口

影响周边群众，房屋，淹没农田等，还会造成一些间接重大损失。

三、冻胀原因及与造成渠道冻胀的主要因素

（一）冻胀原因

兴电灌区属于北方灌区，冬季最低气温-29.50℃,土壤封冻期长达180天。随着冬季的来临气温下降，地基土中的水分在气温降到0℃以下是被冻结，水结冰时体积膨胀，约增加原水体积的9.07%，因此一般情况下土冻结时将产生膨胀，这就形成了土的冻胀。土在冻结过程中不仅原位置的水冻结成冰，而且在冻胀过程中，会产生水分迁移。水分将从未冻区向冻结高峰面迁移，并冻结成冰，这种现象称为水分迁移。由于水分迁移就使土的冻胀更加剧烈，随着冬季气温下降，与此同时产生冻胀力，当衬砌混凝土预制块自重力，不能抵抗次应力时，或现浇渠整体自重力，不能抵抗此应力时，就产生裂缝，鼓起，或者整垮现浇渠被抬起。这是基土上部的水分已经消融，但下部仍为冻结层，因此水分不能及时下渗，致使基土含水量增大，抗剪强度降低，在超过极限时，在土层中形成滑动面，再加上混凝土块本身自重，因此混凝土向下滑动、挤压，有的甚至溜向渠底，渠底也膨胀，裂开，现浇渠整垮上升，伸缩缝裂开等，导致衬砌渠道全面破坏。

（二）土的因素

由于土颗粒的大小不同土体吸引水分的能力也不同，土的颗粒级配也极大影响土的含水性能，在一定程度上控制土中水分的运动，吸引水分强的土质冻胀性就强，兴电灌溉区渠道一般为粘土，粘砂土，属于冻胀类型土，若是砂砾基础，由于颗粒粗，冻胀时一般不产生水分迁移，水分只能在原处冻结或者在重力作用向下移动，冻结时反而出现上部含水量减少，下部含水量增加情况，冻结时水能自由排出，不具冻胀性。这为选用材料夯筑渠道基础有重大指导意义。

（三）水的因素

我们知道，纯净的水在0℃开始结冰，而土的起始冻结温度，与土的含水量，土中含盐量等都有关，实验表明，水在冻结时，体积将增大9.07%。兴电灌区最大冻结深度1.2米。部分渠道由于渗漏较大。土的含水量较大一般为30%左右。假若体积只增高不增宽。那么1.2米厚基土在冻结时胀起高度为1.2×100×30%×9%=3.24(cm），这就是说含水量较大土冻结后冻胀量达到几厘米。由于体积增大，将对渠道衬砌表面产生很大的顶托力。这种顶托力可以达到数百甚至千千帕，超过渠道材料的抗剪强度，从而使渠道衬砌表面产生裂缝。加上渠道表面的水沿裂缝下渗，进一步加剧裂缝的发展，地下水地面以下50多米，土壤含水量极少，土基含水量主要是渠道渗漏，致使渠道土基的含水量增大。观测资料表明，兴电干渠渠道基土的起始冻胀含水量为12%～17%，由此可知渠道渗漏是兴电灌区渠道产生冻胀首要决定性的因素。

（四）温度因素

在自然情况下一般粘土的起始冻结温度在-0.1℃至1℃之间，温度从0℃降到-3℃时未冻水含量变化极大；在-3℃～9℃左右，这时未冻水含量变化相对比较缓慢；当温度低于-9℃时，未冻水含量变化极微。因此当土的含水量大于未冻含水量而温度低于起始冻结温度时土中即有冰层出现，兴电灌区从结冰开始至12月开始至12月底为强冻胀期，冻结力随着温度的降低而迅速增长，冻胀变化较大。从12月开始到次年1月底，气温逐渐下降，冻深增加，称为弱冻胀期，此时，冻胀变形相对较小。此后随着温度开始回升，基本化冻，部分冻胀恢复，了解温度对渠道冻胀因素，可以指导我们制定每年冬灌停水时间，使渠道冻胀破坏减小。

四、冻胀的类型

通过普查，根据冻胀破坏渠道程度不同，将渠道冻胀破坏化分为三种类型，即轻微冻胀，中度冻胀，严重冻胀，为维修管护计划制定提供依据。

（一）轻微冻胀

冻胀量（即衬砌表面向外突出的高度）在2 cm以下，冻胀多为不连续分布，春季冻土消融后能基本恢复原位，这一类冻胀渠共计有6.05 km，占冻胀渠14.2%，一年不维修，加强巡视，观测。

（二）中度冻胀

冻胀量一般达5～10 cm，在较大范围内呈波浪起伏或呈冻胀鼓包。或者整体衬砌渠侧阴下降，阳坡上升。冻土融化后，往往不能恢复原位。裂缝增宽1cm。裂缝可加剧第二年冻前水分入渗和冻胀变形，如此恶性循环，最后可发展到严重冻胀情况。第二类型渠长总计6 km，占总冻胀渠14.08%，列为预备维修。

（三）严重冻胀

在第一年或连续数年冻胀作用下，混凝土板降起数十厘米，其中有一两块（阴坡水面以下部分）近乎直立，上一块支成座椅状其上部混凝土块失去支撑，春节表土消融，水分被其下伏冻土阻隔不能排除，部分从裂缝向渠内渗流，致使板下土壤过分饱和而发生大片混凝土板塌滑，导致衬砌渠道完全破坏。发生此种情况时，往往会在边坡渠床内出现裂缝，深可达几十厘米，宽十余厘米，渠堤上部出现延伸数百米的裂缝，这类渠总长10 km，占冻胀渠23%，一般视情况列为当年维修项目。

五、防止措施

通过近几年对冻胀渠道的维修保护，根据冻胀现象是水分、土质、温度、设计、施工等因素综合作用的结果，而且主要因素随地区的变化很大，即使在同一地区，分布也不一致，阴坡、渠底、冻胀比阳坡重。根据灌区实际情况和冻胀产生的原因采用以下几种防治措施:

（一）弧形底·梯形变坡断面

一般情况下，对冻胀的梯形渠底改变为弧形底·梯形边坡断面，因为弧形底断面裂缝错位较少，缝隙小，尤其是弧形底部分，其冻胀变形以整体上台为主，变形折角很小，冻胀破坏很轻微，梯形断面上渠底中部，渠坡下部等特征部位产生较大的冻胀量，在弧形底断面得到较大削减，实际观测表面弧形底断面冻胀变形比较均匀。

（二）膜料防渗

兴电灌区气候比较干旱，渠道渗漏是增加基本含水量最主要的途径。因此在采取防冻措施首选防渗，减少基土的含水量，不仅能减少冻害，也适应高扬灌溉区节水的特点。我们在近几年的维修，翻建过程中，采用聚乙烯塑料薄膜作为防渗材料，一般在混凝土预制块及其它形式的衬砌下铺设聚乙烯塑料防渗材料。以加强防渗抗冻效果。

（三）垫层换基

所谓垫层换基，就是将渠床上层基土清除，换上一层透水性强的砂砾作为渠道基层，垫层厚度根据渠道不同部位，厚度也不同，在施工当中坡脚阳坡30cm，阴坡50～60cm，坡顶20cm，渠底换填厚度采用自阳坡到阴坡逐渐过度。通过垫层换基，降低基土含水量，加厚垫层，减小冻胀深度，使基底低于冻胀含水量在负温下不致产生冻结力。

（四）浆砌块石衬砌和正六边形预制板衬砌兴电工程北干渠，附近有充足石料，条件便利，利用浆砌块石衬砌渠道，因为浆砌石厚度大，整体性好，抗冻性能比厚度薄的混凝土板好。且浆砌石抵抗温度应力的性能也比混凝土板好，所以，有些地方不设伸缩缝，虽应温度应力产生微小裂缝，但其渗漏原比伸缩缝渗漏小，有利于防冻，其次采用较陡边坡，可以减小浸润宽度，有利于边坡防冻。北干渠将有10cm的浆砌块石渠道，冻胀破坏很小。采用正六边形衬砌，受力结构条件好，防渗效果好，改善了防渗渠道冻胀变形分布不均性，增加了结构形式的构造应力。衬砌施工方便，渠道美观。

（五）施工方面

施工质量对渠道影响极大，施工质量不好和养护不善，往往可以使一个好的抗冻技术方案失败。在翻建施工时注意以下几个方面的问题，一是保证垫层厚度与质量外达到方案要求；二是膜料铺设时防止塑料膜人为破坏，故，施工人员应穿软底鞋，应将小褶皱平贴渠坡；渠底铺膜时，应将基底杂物清除，紧贴渠底，防止膜下鼓气，保证防渗质量。膜料铺设之后认真检查，凡发现有空洞的，立即加以修补堵漏，接缝确保不漏水；三是预制混凝土块也确保质量，混凝土块表面整平，对周边及底部用水洗刷干净，勾缝砂浆应当干硬性的，捣实深度必须保证，勾缝要求密实，按规定养护；四是对于填方渠更应注意压实。

（六）管理方面

管理水平的提高不提高对渠道影响也极大，如冬灌推迟停水，可能造成渠道大面积冻胀，停水后要清理部分渠道内的积水。如果管理跟不上去，极大会影响渠道冻胀。通过多年实践兴电灌区冬灌停水时间11月中旬，水停之后组织职工对渠道清理积水，对建筑物如闸门，闸阀都搞一些防冻措施，从而减少冻胀。

通过工程翻建维修，依据以上的防冻害措施，和措施综合利用，从1995年开始经过10年以来对严重冻胀渠分别进行了维修，加设防渗膜料，垫层换基进行了处理共计有10km，较好的解决了冻胀破坏问题，有效保证渠道的安全运行。

（编辑：刘国华）

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2016-08-03

杨志平（1971-），男，甘肃靖远人，工程师，主要从事兴电罐区渠道运行和供水管理工作。