敦化灌区渠道防渗工程冻胀破坏分析与防治

（太原市敦化扬水工程管理处）

1 灌区概况

太原市敦化灌区始建于1964年，地处山西省中部的清徐县和小店区交界处，拥有主要干、支渠道51.76 km（渠系平面布置见图1），可灌溉农田6 973.33 hm2。多年来，干、支渠道均为土体结构，输水渗漏损失严重，渠系水利用系数低，约为0.45。为了减少渗漏损失，有效利用水资源，1996年对部分渠道进行了防渗工程处理，使水资源利用率得到了大大提高，粮食生产稳步增长。

图1 太原市敦化灌区渠系平面布置图

但在渠道的多年运行中，防渗工程遭受了不同程度的冻胀损坏，部分渠段只经过了几次的冬季灌溉就产生了裂缝、空鼓等现象，难以发挥预期效益。

2 防渗工程冻胀破坏形成分析

太原市敦化灌区位于山西中部汾河与潇河交叉口南端，属冲积平原型灌区。由于地处中纬度大陆性季风气候区，一年四季分明。主要气候特点：春季多风干燥，夏季雨量集中，秋季天气晴朗，冬季少雪寒冷。据当地多年观测资料，年均气温10.2℃，极端最高气温38℃，极端最低气温-24.3℃；最大冻土深度0.667 m。敦化灌区一般要对冬小麦进行冬灌，灌溉期为每年12月初到次年4月上旬，渠道过水时间较长，而且正是每年最寒冷的季节，灌区防渗渠道容易经常受到不同程度的冻胀破坏，其主要表现形式如下：

2.1 防渗工程裂缝

据调查，敦化灌区的渠道为梯形，从电一支渠南云支到西谷段和电二支渠大寨村段，出现裂缝现象，裂缝方向为横向，平行于水流方向，破坏部位为阴坡坡脚线以上1/3坡长处或水位线上下。裂缝产生后，由于维修不及时，上部渠坡在冻胀力作用下向渠中心方向发生位移。渠底破坏部位是沿渠中心线出现的鼓突裂缝。据分析，形成裂缝的主要原因，是由于渠系改造过程中用的是现浇混凝土，该材料属刚性材料，虽然整体性较好，但在基土冻胀力大于混凝土整体约束力时，就会产生裂缝。

2.2 防渗工程空鼓

敦化灌区1996年改造时，混凝土预制板衬砌渠道较多。据调查，电一支渠南北云支段、电二支渠王答村段，出现凸起、空鼓现象，冻胀位移大部分为3-6 cm，部分位置达到15 cm。在冬春季交替气温回暖时，冻胀位移回落，一胀一缩，使灌区渠道梯形断面砌筑的预制板衬砌缝遭到破坏。如不及时维修，破坏逐年累加，预制板衬砌很快就会错位塌落。

2.3 防渗工程错位滑落

灌区渠道梯形断面错位滑落是在裂缝、空鼓、错位等破坏部位未及时修复的情况下，冻胀作用累积叠加，致使砌体受到更大破坏，从而失去了输水利用价值。据调查，出现这种现象的情况很少，几率很低。

3 防渗工程冻胀破坏防治措施

3.1 优化设计方案

根据水文地质资料，新建灌溉渠道选择应尽量避开黏土、粉质土、淤积土及地下水位较浅、透水性较好和等高线密集地形较高的脊梁地段。由于地理条件限制无法满足这些条件时，应该尽量建成填方渠道，以便使渠底抬高。

3.2 确保施工质量

严格按照设计要求施工，使填方质量达到设计标准，同时做好排水、隔水措施和合理运用隔热保温层等。

3.2.1 铺设垫层

垫层不仅具有一定的抗冻胀能力，而且可以阻止地下水的水位上升，从而减少水分的转移聚流。铺设垫层时，不能掺入冻胀性土料，常用的垫层材料有砂砾石、中粗砂等。在施工时，需要在最大冻土深度以内，将垫砌板下的冻胀土换成非冻胀材料。基土换填基本上可以解决冻胀问题，但缺点是工程量大，工程投资亦较大。

3.2.2 设置排水和隔水

关于排水：如果冻土层或置换层下透水或弱透水层较薄，且深层地下水埋深比工程设计最大冻土深度大时，应在渠底设置必要的排水措施，使冻土层或置换层能够与地下水相通；如果渠床的冻土层有排水出路，则应在工程设计最大冻土深度底部设置纵横向排水暗管，以便及时把渠床冻土层内的水排出渠外；如果渠道在冬季输水，渠底存在旁渗水补给时，宜在最低运行水位以上设置反滤排水体，将排水口设置在最低运行水位处，这样就可及时将渗水排到渠内，避免渠床受到浸湿。关于隔水：宜在混凝土衬砌板下铺设一层聚乙烯膜或土工膜，这样就可有效减少衬砌板接缝处的渗漏问题，尤其是在采用小块混凝土板衬砌时，采用防渗隔水层能够起到良好的抗冻胀作用。

3.2.3 设置隔热保温层

在渠道防渗工程施工时，可将隔热保温材料铺垫在衬砌体的下部，这样就可起到消减冻深与冻胀作用。

总的来说，防渗渠道在设计、施工及后期运营管理的各个环节中，都应该认真对待冻胀破坏问题，并要结合工程的实际情况及冻胀特点，做好每个环节的冻胀防治措施。

3.3 增加混凝土钢筋抗拉强度

敦化灌区地下水位较高，采用铺设土工布、聚苯板等防冻胀措施，效果不太明显。预制混凝土板衬砌由于自重小，在冻胀时易出现空鼓滑落，相比现浇混凝土防渗工程更易遭到破坏，维护费用较高。经过多次试验，增加现浇混凝土钢筋的抗拉强度，抗冻胀效果较好。根据试验资料，宜选择在现浇混凝土内铺设φ4钢筋焊接网，既可满足防止冻胀的抗拉要求，又没有增加太大成本。依试验结果，敦化灌区在2009年抗冻胀试验段铺设了φ4钢筋焊接网，经多年运行，混凝土表面无裂缝和空鼓现象发生。

3.4 抓好运行管理

渠道建成交付使用后，要进行定期检查与维修，及时清除渠内杂物。在渠道外侧种植一些须根系发达可以改善渠床土基状态的植物，也有利于防治渠道发生冻害。在灌溉期间，要保证渠道排水畅通，在气温降到零度以下时能不间断运行，同时还要保证运行期的水位；在停止灌溉期间，要对渠道进行及时检查与维护，保证砌块缝间填料的完整性和衬砌体封顶的完好性，以避免水渗入到衬砌体背后。在冻胀破坏发生后，一定要及时修复，避免造成渠道报废。

4 结论

敦化灌区渠道防渗工程，由于冻胀破坏，既增加了灌区的工程维修成本，也造成了输水的大量损失，不利于开展农业节水灌溉。根据冻胀破坏的原因，采取相应的预防和管理措施，对于推动灌区农业发展，保证粮食安全，意义重大。