灌区渠道防冻技术改进研究

张子财（绥中县水土保持局，辽宁绥中125200）



灌区渠道防冻技术改进研究

张子财
（绥中县水土保持局，辽宁绥中125200）

［摘 要］文中在分析渠道防冻措施现状及基体冻胀原理的基础上，提出了采用现浇混凝土边坡与柔性渠底配合、膨润土防水毯与土料保护层配合、混凝土边坡与适应变形截面形式配合等三种渠道衬砌改进措施，以期为解决辽宁省灌区渠道季节性冻胀问题，提高渠系水利用系数及延长渠道工程的使用寿命进行有益的探索。

［关键词］辽宁省；渠道冻胀；技术改进

1　引言

辽宁省是水资源严重紧缺的省份，人均水资源量仅相当于全国人均的1/3，世界人均的1/12，水资源已成为全省国民经济发展的制约因素［1］。根据统计资料，辽宁省粮食作物播种面积约322.6万hm2，基本为季节性冻土。近5年来，全省年均总用水量219.2亿m3，其中农业用水量为142.8亿m3，占比高达65.1%。与发达国家与南方发达省份相比，辽宁省灌溉技术相对落后导致的灌溉效率低下、水资源浪费严重等问题日益凸显，特别是由冻胀导致的渗漏等问题不仅直接影响渠道的正常使用，浪费了水资源，而且增加了运行管理难度和工程修复费用，如何防治衬砌渠道的冻胀破坏，成为一个辽宁省水利工作中非常突出的工程问题［2］。因此，深入研究渠系的冻胀问题，提高辽宁省渠道抗冻胀能力与灌溉水利用效率具有重要的意义。

目前，国内外学者针对渠道冻胀问题开展了大量开创性的研究，取得了一定有意义的研究成果，总起来说，解决冻胀问题主要包括以下几个方面。第一，抗——使用钢筋混凝土功能板代替砌块砂浆组合的传统工艺，增加渠道的整体性和抗压强度；第二，隔——在渠道与基体之间增加苯板等保温材料，减小温度变化对渠道造成的破坏；第三，换——将与渠道接触的一定范围内冻胀性土体用砂石换填，降低基体冻胀性。实际操作中，往往根据实际情况综合运用以上方法，可以取得较好的效果，但是，由于受资金等因素限制，使得渠道工程投入与收益之间存在较大矛盾，加之各地区环境差异大，施工水平参差不齐，很难保证达到预期效果和使用年限。针对以上因素，将在研究冻胀原理以及辽宁省渠道冻胀现状的基础上，提出运用新型材料和截面形式等改进措施，提高渠道的抗冻胀能力。

2　基体冻胀原理与影响因素

2.1基体冻胀原理

基体冻胀本质上是由土体中游离水在温度降低到冰点以下时凝结为冰晶，导致体积增大并且不断累积，最终导致衬砌破坏的过程。

就辽宁省而言，自11月起开始陆续出现局部结冰，随后降温速度逐步加快，由表及里逐步结冻至极限影响深度。尤其是在灌区渠道附近，由于防渗措施不力，土壤中存在大量自由水，使得这一过程更加迅速，后果更加严重，如图2所示。自20世纪70年代起，各国学者结合土力学和流体力学有关原理，在分析冻胀破坏效果领域逐渐形成了毛细理论、第二冻胀理论和吸附力理论，为实验研究和实际应用提供了理论保障［3］。近年来，这些理论逐步趋于统一，得到广大科研工作者的认可。

2.2渠道冻胀影响因素

渠道冻胀过程较为复杂，涉及多方面的因素，经过分析总结，可以得到以下几点影响冻胀效果的主要因素［4］：

1）土体粒径与级配：粒径处于0.005～0.05 mm，级配较好的粉土土粒与水分子之间既存在较强的相互作用力，同时又具有良好的渗透性，便于水分迁移凝结，容易造成较大的冻胀破坏，不同土类的冻胀量顺序为：粉质粘土大于壤土大于砂壤土大于重粘土大于砂砾土。

2）水分温度。土质与水分温度是冻胀破坏的必要条件，较为丰富的孔隙水和反复冻融容易产生更大的结晶体。

3）土体密度及附加荷载。二者本质上原理相同，最终均反映在微观土粒与水的相互作用上，对于不同土质而言，土体密度对冻胀影响比较明显。

4）渠道走向。渠道走向直接影响不同部位受光照和风吹的影响大小，导致冻胀范围和深度不同，从而产生不均匀性。

5）渠道衬砌形式。实验结果显示，不同截面形式的衬砌抵抗破坏的能力不同，相对而言，因为棱角处容易产生应力集中现象，所以带有曲线弧度的形式抵抗能力更强。

3　渠道防冻技术改进措施

参考辽宁省灌区渠道以往冻害研究可以发现，传统的单一解决方案通常难以取得良好效果，时常面临“边修边坏，永无止境”的尴尬局面，每年需要大量资金投入到冻胀修缮工作中，造成极大浪费。上述原理分析的基础上，综合运用几种改进方案，以期较为有效的解决辽宁省灌区渠道冻胀问题。

3.1现浇混凝土边坡与柔性渠底配合

相对于砌体而言，混凝土板具有整体性好、抵抗力强的特点，尤其是级配良好、加入外加剂的防水混凝土，在减少渗漏流失的同时，可以极大的减小冻胀损害。当地下水位较高，超过渠底时，采用如图1所示组合结构，由于长时间处于冻融交替环境中，保温板容易遭到永久性破坏而丧失功能性，所以边坡并不建议采用此方法。相较之下，运用较厚且成本较低的换填料取代原有基体，可以有效降低冻融过程中体积变化，加之混凝土中配置适量钢筋，使边坡的抵抗能力更强。渠底雷诺护垫填充砾石的优点是防冲刷、排水性能良好，变形适应性强，在大中型渠道中应用可以取得较为理想的效果。当地下水位较低，处于渠底以下时，采用如图2所示组合结构，预制混凝土板+膜料+保温板配合使用可以在取得良好保温防渗效果的同时，减小土方施工量和混凝土浇筑所需的人、机、料成本，同时节约大量施工时间。渠底膜料上覆保护层在防渗和放冻胀方面同样可以取得良好效果。

图1　现浇混凝土+换填料+透水材料

图2　现浇混凝土+膜料+保温材料+土料保护

3.2膨润土防水毯与土料保护层配合

图3所示结构为膨润土防水毯上覆土料保护的结构，在渠道规模较大，且可能遭受不是非常严重冻胀灾害地区，由于工序复杂程度较低，采用这种方法可以实现缩短工期，减少因施工水平限制而引起的工程缺陷等。另一方面，相比于现浇混凝土施工，这种方法可以在大幅度降低成本开销的同时，取得较为理想的防冻胀效果。

图3　膨润土防水毯+土料保护层

3.3混凝土边坡与适应变形截面形式配合

从上文中分析可知，与梯形相比，弧形截面可以抵抗更大的冻胀应力，不容易产生应力集中而造成破坏，实际应用中却因为模板、测量精度等无法满足要求而很少采用。但是，适当的将二者结合起来运用却可以兼蓄各自的优点。如图4所示的弧形坡脚梯形截面以及图5所示的弧形底梯形截面，都能够在做好防渗工作的基础上，利用自身结构特点获得更大的整体稳定性。另外，从截面积可以看出，前者适用于中大型渠道，而后者在小型渠道工程中应用较多。

图5　弧形底梯形截面

4　结语

相比冻融破坏和冰冻破坏，辽宁省灌区渠道冻胀破坏的危害性更大、分布更广，是辽宁省目前水利工作中较为棘手的问题之一。在原有单一“抗、隔、换”防冻胀措施难以取得理想效果的背景下，从辽宁省灌区实际情况出发，分析了渠道冻胀破坏原理与影响因素，在此基础上提出了采用现浇混凝土边坡与柔性渠底配合、膨润土防水毯与土料保护层配合、混凝土边坡与适应变形截面形式配合等三种渠道衬砌改进措施，以期为解决辽宁省灌区渠道季节性冻胀破坏问题进行有益的探索。

由于渠道冻胀破坏因素复杂，因此还需要从规划、设计、施工和管理等多个方面入手，采用综合防治措施，有效消除和回避渠道冻胀问题，更好地发挥渠道工程效益。

［参考文献］

［1］杨万志.辽宁省渠道防渗节水潜力及对策［J］.防渗技术，1994，1：2-5.

［2］廖云，刘建军，陈少峰.混凝土渠道冻胀破坏机制与抗冻技术研究进展［J］.岩土力学，2008，29（11）：211-214.

［3］徐学祖，何平，张继明.土体冻结与冻胀研究的新进展［J］.冰川冻土，1997，（3）：280-283.

［4］张茹，王正中.季节性冻土地区衬砌渠道冻胀防治技术研究进展［J］.2007，25（3）：236-240.

［中图分类号］TV698.2+6

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）02－0048－02

［收稿日期］#2015-10-02