冬季过水渠道防冻技术措施探讨

宋曲武　张辉

摘 要：对冬季过水渠道防渗层冻胀破坏特性进行简单分析后，对冬季过水渠道的防冻胀技术措施进行了探讨。尤其对改造渠道原结构断面型式、保温防冻胀、“适应、削减冻胀”防冻胀、隔水排水、适应冻胀变形、强化渠道自身的抗冻胀能力等防冻胀技术措施进行了认真分析研究。合理的抗冻胀技术措施，可以有效提高渠道的防冻胀性能，确保渠道安全可靠、节能经济的高效稳定运行。

关键词：渠道；渗漏；防冻胀破坏；削减冻胀

陕西省地处内陆中纬度气候带，陕北、渭北高原和关中东部等地属于干旱半干旱地区，降水稀少且变化较大。全省年均降雨量653mm，年均蒸发量为1608mm，农业生产主要依赖灌区补水灌溉，呈现典型灌溉农业经营模式，甚至有些地区出现没有灌溉就没有农业的局面[1]。由于受当时的建设资金、建设技术水平和建设标准等因素的影响，渠道水损较大。渠道水的有效利用系数小，水损严重，不仅浪费了大量水资源同时也影响到农田生产灌溉的正常运营。季节性冻土地区，渠道刚性衬砌防渗层容易发生冻胀破坏，采取合理的防冻技术措施进行防渗漏、防冻胀处理，减少渠道水资源的损失，提高渠道水的有效利用系数，增强渠道自身的抗冻胀性能和安全可靠性，就显得非常有工程实践应用研究意义。

1 冬季过水渠道防渗层冻胀破坏特性

1.1 冻胀破坏部位较高

按照冬季渠道是否过水可以将渠道划分为冬季过水渠道和冬季不过水渠道，其中冬季不过水渠道其防渗层发生冻胀破坏大致在边坡板的下1/3部位处；而当渠道冬季过水时，渠道冻胀部位会明显增高，大致在边坡板的中1/3部位处。

1.2 冻胀范围广、隆起高度较大

由于冬季过水等因素的综合制约，冬季过水渠道其冻胀范围和冻胀量要明显比不过水渠道大，其冻胀引起的边坡板隆起高度要高很多，造成的冻胀破坏程度也更大。从实际运行经验可知，冬季过水渠道由于冻胀破坏其往往会在边坡防渗板中部形成一個二台，从而造成在防渗衬砌板下形成一个冰与泥的冻胀混合物，该混合物随着春季气温的增加而变成稀泥或空洞，进而形成渠道水渗漏点，造成渠道水损加重。

1.3 渠道加固修复后复发率较高，工程维修费用较大

冬季输水渠道由于其特殊的运行环境，渠道加固修复后进行冬季输水，其发生冻胀破坏的频率较高，需要结合工程区地质条件、土质条件、土体含水量及规律、负温条件及渠道结构型式，选择合理的防冻胀措施有效防治衬砌渠道的冻胀破坏，提高渠道运行的安全可靠性和节能经济性。

2 渠道的防冻胀技术措施

在防渗渠道防冻胀技术措施的选择过程中，应充分结合渠道实际考察结果，从渠道结构设计、渠基处理、防渗衬砌结构材料选择、保温体系建设等方面进行综合考虑，优选技术上可行、经济上合理、施工便捷、因地制宜的各渠段各异的防冻胀技术措施。

2.1 改造渠道原结构断面型式

对于渠道流量在3m3/s以下的小型梯形渠道，其在防渗节水改造过程中，推荐采用“U”型或矩形断面来代替原有的梯形断面，这样利用渠道结构自身具有较大的稳定性和抗应力破坏特性，可以有效提高渠道的防渗和防冻胀特性[2]。同时，对于渠基发生沉降等问题的部分渠段，在进行防渗衬砌改造改建过程中，应合理进行拆除重建措施，在恢复原渠基后结合工程实际做适当调整，确保渠道设计纵坡、坡度等均满足设计或相关规范的技术指标要求。

2.2 保温防冻胀措施

负温是渠道发生冻胀破坏的重要外因，通过在渠道防渗衬砌边坡板下设计保温层结构，通过敷设保温材料形成保温隔层阻隔大气与渠基土间的热量交换，这样可以有效提高渠基土的温度和降低温度变化波动范围，进而达到消减或消除渠道冻胀环境，降低或防止渠道发生冻胀破坏。从大量的科学研究和实践应用经验可知，目前工程中常采用的保温材料包括EPS聚苯乙烯膨胀泡沫板、高分子防渗保温卷材等防渗保温材料。在北方渠道工程中，主要采用在混凝土防渗衬砌板下敷设一层EPS聚苯乙烯膨胀泡沫板（即形成：混凝土防渗衬砌刚性板+砂浆过渡层+EPS聚苯泡沫板的渠道防冻胀结构形式）来进行防渗保温。试验和运行数据表明：渠道混凝土衬砌层底加泡沫板之后，渠道渗漏量仅为不加膜衬砌的1/15左右，且渠道发生的冻胀量和冻胀破坏程度可以降低70%，所取得的防渗抗冻胀保温效果较好，经济性较优越。

2.3 “适应、削减冻胀”的防冻胀措施

在《渠道防渗工程技术规范》中，明确规定了不同材料防渗渠道的允许冻胀量（砌石为1.0-3.0cm；混凝土为0.5-2.0cm；沥青混凝土为3.0～5.0cm），通过合理选用适应的防渗材料可以确保渠道工程具有较好的冻胀性能。另外工程中常用的消减冻胀措施主要包括：（1）渠基土夯实处理；（2）防止渠道水渗漏破坏；（3）在渠道防渗板下设置深浅两层封闭层，有效阻断冻结层的水源补给通道；（4）通过在渠道外侧植树固堤，尤其以造柳树带为宜；（5）通过置换等措施合理控制渠基土的含水量。如：一灌区在梯形支渠防渗抗冻改造工程中采用混凝土预制板作为渠道防渗层，并在渠道两边种植柳树，通过柳树形成的局部小气候和树根在混凝土板下形成防渗海绵体根须网，在渠道防渗混凝土板下形成非冻胀性纤维层，可以作为减轻或防止渠道防渗层冻胀破坏的缓冲层，避免渠道发生冻胀破坏。

2.4 隔水排水、适应冻胀变形的防冻胀措施

通过采用塑料薄膜、膨润土防水毯、复合土工膜等防渗膜料，利用膜料自身良好的柔性、延伸性、抗拉性和抗老化特性，在混凝土防渗板下设置一层隔水层，来有效隔断渠道渗水、大气降水和地下水等对渠基冻结层的水源补给通道，减少和防止渠道水的渗漏损失，进而削减或消除渠道的冻胀破坏特性。当地下水位高于渠底，或地下水位虽低于渠底但渠基土透水性差含水量较高造成渠道的渗漏水、大气降水等不能很快渗入到渠基土深处时，则需要设置有效的排水措施，通过设置排水沟等达到渠基水排泄畅通，有效减少渠基土体冻结层水源补给量，做到渠、路、沟的统筹规划布置，降低渠床基土含水量，确保安全输水。

2.5 强化渠道自身的抗冻胀能力

（1）对于采用混凝土等刚性防渗层的渠道，由于防渗板存在弯矩、剪力和扭矩，为了避免渠道刚性防渗层应力不均发生裂缝破坏，宜采用弧形渠底利用其结构优势确保刚性防渗层内部受到的力以压应力为主，使其不易发生开裂破坏。采用弧形渠底的渠道，利用其弧形结构受力转移保障渠底基土具有较好的抗冻胀性能。（2）边坡采用混凝土板+置换材料的刚性防渗衬砌结构，渠底采用雷诺护垫填充砾石等非刚性透水材料的复合结构形式，具备渠道边坡防渗、防冻胀、渠底防冲、隔排水等功能作用。由于该种结构，渠道底部适应冻胀变形的能力强，对于季节性冻土地区的冬季输水渠道非常适用。（3）对于梯形断面的渠道，可以通过采用楔形混凝土防渗板，可以使渠道坡脚处的防渗层厚度大，提高其坡脚处的抗冻胀能力。在渠道中部采用加厚板，可以有效加强坡面1/3-1/2处的截面刚度，提高渠道自身的抗冻胀性能。

3 结束语

从灌区渠道实际运行管理可以发现，冻胀是造成季节性冻土地区渠道衬砌防渗层发生破坏的主要原因。在渠道防渗和冻胀防治过程中，应因地制宜，按照“适应、削减冻胀”原则，从设计、施工、运行、维护管理等方面进行全方面考虑，优选与工程实际相匹配的防冻胀技术措施，确保渠道安全可靠、节能经济的稳定运行。

参考文献

[1]陈爱侠.陕西省水资源利用效率及其影响因素分析[J].西北林学院学报，2007（1）：178-182.

[2]冯广志，周福国，季仁保.渠道防渗衬砌技术发展中的若干问题与建议[J].节水灌溉，2004（5）：1-4.

作者简介：宋曲武（1972-），男，汉族，陕西渭南人，主要从事水利科技及水利工程管理工作。