防渗渠道抗冻胀措施探析

韩良凯

(丹东市水利勘测设计研究院，辽宁 丹东 118000)

铁甲灌区位于东港市滨海平原地区，北靠群山，南沿鸭绿江滨黄海，东起柳林河与市郊区分界，西止龙态河。全灌区呈长方形，南北宽约7km，东西长约40km，地形东北高、西南低。总灌溉面积2.45万hm2，实际灌溉面积2.23万hm2。是东港市主要水稻产区。铁甲总干全长35.54km，4条分干全长23.8km。联结1座中型和6座小型水库，5座提水站；支渠89条全长137.6km，联结中小型提水站40座。现有各级渠道均为土渠梯形断面，土质南部多为黏土，中北部为砂土或沙壤土。

铁甲灌区属于温带，冬季月平均温度零下10°-15°左右，在低温影响下，防渗渠道会受到冻胀破坏。防渗渠道冻胀破坏会影响工程项目的正常运行，降低渠系水利用系数，影响渠道防渗效果，同时也会提高工程运行管理及维修的费用，造成水资源的浪费，使本地区粮食产量和群众财产遭受损失[1]。

1 渠道冻胀破坏的原因

防渗渠道的抗冻防治，是渠道衬砌工程常遇到的难题。应以工程所在地区实际情况为基准，采取相应的防治措施，减轻或避免冻胀破坏，提高渠道的运行效率，延长其使用寿命，节约运行管理费用，推动我国的农业现代化建设。本次以东港铁甲灌区为例，对衬砌渠道冻胀破坏的原因，从以下几个方面进行分析。

1.1 气候特征

东港市属北温带湿润地区大陆性季风气候。受黄海影响，具有海洋性气候特点。冬无严寒，夏无酷暑，四季分明，雨热同季。正常年景年平均气温8.4°，无霜期182d，结冻期147d，降雨量888mm，日照时数2484.3h。东港是一个水资源比较丰富的地区，年平均降水900-1000mm，鸭绿江和大洋河两大水系干流穿过市境，客水平均年约320多亿m3，其它主要河流源出境内北部山区，为季节性直接入海河流。东港市水资源主要由3部分组成：①区域地表水资源即东港市版图面积产生的地表径流；②区域地下水资源；③过境客水资源。形成了渠道基土产生冻胀的气候条件[2]。

1.2 土质特点

区域内出露地层有混合岩、混合花岗岩和花岗岩，元古界辽河群的黑云斜长片麻岩类。本项目区为沿海平原地区，土质为海相沉积灰黑色的淤泥和粉质黏土，粉质黏土层以下为粉细砂。

根据勘察资料，工程所在地以细颗粒的粉质黏土为主，渗透系数为10-4cm/s量级。粉质黏土(粒径<0.075mm)含量占总重量的50%以上；冻结前地下水埋深在0.5-1.0m左右，根据黏土冻深与冻胀量关系曲线表可知，地表冻胀量为5-12cm。灌区地基土冻胀级别达到Ⅲ级，属于冻胀性土质。

1.3 地下水特点

区域内地表水很丰富，有天然河道、灌溉所挖的沟渠以及一些小型水库，其中比较大的有铁甲灌区总干、铁甲灌区支渠及七股顶水库等。

地下水主要为存在于松散岩类、砂卵石中的孔隙水以及低山丘陵区的基岩裂隙水。灌区地下水埋深在0.5m-1m左右，灌区内黏性土土壤含水率较高，根据试验得出，在地下水埋深在0.5m以下时，土壤含水率为23%左右， 该数值大于土壤起始冻胀含水率12.7%。由于地下水位较高，土体冻结锋面在地下水的补给下，形成的冰晶体量越来越大。为土壤产生冻胀破坏提供了水分条件。

1.4 渠道设计缺陷。

衬砌渠道混凝土底板没有设置贯通纵缝，在水平冻胀力作用下，致使两侧边坡向渠道底板挤压，底板中间有向上的压力产生，从而造成混凝土底板在冻胀力作用下断裂或者产生裂缝。渠道在新建或改造时，受到现场地形或占地的影响，衬砌渠道基础过低。灌区地下水位较高，渠底有充足的水分，在冬季气温降至负温时，衬砌渠道混凝土底板将发生冻胀破坏。

1.5 渠道施工缺陷。

1)渠道的压实度不够。由于部分渠道压实度不满足设计要求，土体的压实度较低，地下水位可以通过孔隙上升，增大渠道粉质黏土含水量，冬季地下水在温度降到零下后冻结成冰。渠道基床粉质黏土整体膨胀，产生较大的冻胀力，破坏混凝土衬砌渠道。

2)土工膜拼接处黏结不牢或出现裂缝。现有施工中，为了加快施工进度，土工膜拼接通常采用胶黏法，土工膜连接很少采用热烙焊法。同时在土工膜施工过程中，土工膜容易被树根、块石等刺破或者损坏，造成渗漏通道。对衬砌渠道产生冻胀破坏。

3)砂垫层中粉土、黏土含量较高。通常在黏土、粉土渠床中，衬砌渠道混凝土板下设置砂垫层进行换填。由于砂垫层中混入粉土、黏土含量较高，当地下水位较高，砂垫层在低温饱和冻结时，将会对混凝土底板产生冻胀破坏。

2 渠道衬砌工程冻胀防治措施

2.1 改变渠线

在规划设计中应对渠道岸线选择进行合理布置，在渠道选线时，要结合地质条件，尽量选在粗粒土层，地下水位低的地段；同时要对低洼地段，地下水位高的地段进行填方，形成填方渠道，抬高渠底高程，降低地下水位。

2.2 采取结构抗冻措施

通过改变结构设计提高抗冻性，当前应用较多的形式有U形、矩形或梯形断面。U形衬砌渠道断面形式：底部呈弧形或半圆形、槽身采用向外侧倾斜一定角度的直线段，U形渠道与梯形断面相比，具有防渗效果好，流速快，渠道挟水挟沙能力强，淤积少。由于U形渠底为反拱型，对冻胀作用有较强的抵抗力，减少裂缝及冻胀后的不均匀沉降。U形防渗渠道具有良好的防渗性，抗冻性，占地面积小，挖填方土方量少，施工速度快，工作效率高。

2.3 采用保温措施抗冻胀

对渠道两侧边坡及渠底混凝土板下设置聚苯乙烯泡沫塑料板。聚苯乙烯泡沫塑料板作为衬砌渠道保温材料，它具有稳定的化学性能，不易被地基土降解；吸水性、导热系数及渗透系数小、结构均匀、密度小、压缩强度大、施工、运输方便。在工程设计中，应结合土质、地下水埋深、渠道走向、设计冻深、荷载等来确定保温材料主要技术指标，并结合灌区已有的抗冻胀试验资料和经验确定其铺设的厚度等尺寸。从近几年工程设计中可知，大的干渠一般在渠坡阴坡约1/2坡长以下采用8-10cm厚聚苯乙烯保温板、1/2坡长以上6-8cm；阳坡约1/2坡长以下6-8cm、1/2坡长以上4-6cm；齿墙两侧保温板厚度均与坡面下部相同，封顶板下与坡面上部相同。根据已实施的铁甲5支渠道衬砌工程可知，采用铺设聚苯乙烯保温板作为防冻胀措施。可以满足衬砌渠道的抗冻要求。而未采取保温措施处理的衬砌渠道发生了很大的冻胀变形，而且在渠道基土消融后，不能完全复位，甚至存在较大的残余变形。经过几个冻融周期，冻胀和融沉交替，均会产生不同程度的塌陷、滑坡现象。保温用聚苯乙烯泡沫塑料板物理机械性能表，见表1。

表1 保温用聚苯乙烯泡沫塑料板物理机械性能表

3 结 语

由于渠道冻胀破坏条件及影响因素较多，为了能够减小或避免冻胀破坏的产生，需要充分了解该地区基本情况，真正实现在提高渠道防渗能力的同时，采取的抗冻措施真实可行。通过智慧水利在灌区项目上的应用，增强渠道工程管理和维护，逐步完善运行管理制度，提高渠道抗冻能力，延长其使用年限，提高灌溉水利用率，为农业综合生产能力提供可靠的技术支撑。促进灌区社会经济的发展和生态环境的改善，保障灌区工、农业生产和国民经济的可持续发展。