摘要：渠道是灌区灌溉系统组成的基本单元，交口灌区地处季节性冻土地区，渠道先后出现不同程度地冻胀破坏，影响了水利工程正常运行和效益发挥。本文通过对交口灌区渠道冻胀破坏因素进行客观分析，并就防冻胀措施进行初步探索，为渠道管理运行提供借鉴。
关键词：水利工程；渠道；冻胀；防治
1、灌区渠道现状和存在问题
灌区属暖温带半干旱季风区。春季少雨多风，气候干燥，气温回升快；夏季高温炎热，常有伏旱和局部暴雨；秋季降温迅速，气候温凉，多连阴雨；冬季晴冷干燥，风多而雨雪稀少。根据交口抽渭管理局试验站气象资料分析，灌区多年平均气温13.4℃，以7月份温度最高，平均气温26.66℃，1月份最低，平均气温-0.68℃；极端最高温度为42.2℃，极端最低温度-15.8℃。冻土期为12月至翌年2月，最大冻土层深度24cm。渠道在运行过程中由于冻胀造成预制板滑塌、衬砌断裂等现象，已影响到灌区农业灌溉。近年来交口灌区通过续建配套节水改造项目对渠道工程进行了改造，有效地改善了渠道工程现状，但是部分渠段运行一段时间后遇到冻胀破坏，致使部分渠道衬砌体失去了防渗减糙作用，增大渠道输水损失，降低渠道输水能力和渠道水利用系数，已经影响到灌区农业生产和经济发展。
2、渠道冻胀破坏的因素分析
通过对渠道冻胀破坏分析，主要表现为：衬砌鼓胀裂缝、隆起架空、整体上抬、板位错块、严重部位造成衬砌破碎或滑塌。经过对渠道各种形式之间以及其它运行渠道的运行冻胀情况、容易产生冻胀部位进行对比分析：衬砌（刚性）面冻胀破坏，与衬砌面下基础的冻胀位移量大小及其不均匀程度、衬砌结构抵抗或适应基础冻胀变形的能力等因素有关。
2.1渠床基础冻胀的不均匀性。基础产生超出衬砌结构所能适应的不均匀冻胀是造成衬砌发生冻胀破坏的最基本因素。一是渠基水分条件沿渠坡分布不同，不同的渠坡高度，距地下水位的距离不同，造成渠基含水量一在冻结过程中的水分补给条件不同，衬砌结构的砌（伸缩）缝止水效果差或被破坏，发生渗漏，造成基础局部含水量的增大，因此在渠床基础冻结时即发生不均匀冻胀；二是基础土质的不同，不同的渠段或不同的渠坡高度，由于设计或施工原因，砂砾石换基厚度不同或砂砾石中含砾多少不同，使基础排水通透性存在差异，造成渠基不同部位含水量不等而发生不均匀冻胀；三是受日照与遮荫不同，渠道断面各部位，由于日照与遮荫条件不同，形成不同的冻深，引发不均匀冻胀。
2.2衬砌结构受渠床基础冻胀位移时的约束，使其不能随着渠床基础冻胀面发生位移，造成渠道破坏。渠底与渠坡相互约束，在坡脚部位、渠坡与渠底的冻胀位移方向不同，使其相互约束，不能适应渠床基础冻胀变形；衬砌预制板与基土冻结力的约束。冬季在砌体基土水分条件较高的情况下，首先把衬砌板与基土冻结在一起，在基土发生不均匀冻胀时，冻结力产生约束作用，限制了衬砌体的自由位移，衬砌板块之间的相互挤靠形成的约束也是其重要的一个因素。
2.3衬砌砼板不能抵抗或不适应基土冻胀变形能力是砌体发生冻胀的关键因素。衬砌板结构形式及砼强度。衬砌板的厚度较小、强度较低或衬砌形式整体性不强时，在基础冻胀作用下，抵抗冻胀能力较差，容易发生衬砌板块断裂或衬砌结构变形，而同等厚度和强度的砼衬砌板块分块较大的预制砼板衬砌柔性较差，在基础冻胀作用下，不易适应其冻胀变形，导致砌体结构发生破坏。
3、解决冻胀问题的思路
3.1减少基础冻胀量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆可冻性土壤、水份、负温是产生冻胀的三个必要条件，改变产生冻胀的条件是解决冻胀问题最有效的办法。用砂砾层垫层置换渠床原状土，改变基础土质条件，减少或消除冻胀；改变水份条件，在钢性衬砌面下铺设高效防渗材料，如塑料防渗膜、土工膜，同时在渠底加设排水设施，如在挖方渠段设排水沟渠，在有渗水外排条件的填方渠段，把渗入换填砂砾石垫层中的水份排出有效冻胀层，消除冻胀，同时做好保温衬砌，在刚性衬砌的下面铺设一层保温层（如聚苯乙烯泡沫保温板），形成保温衬砌结构，改变基土温度条件，减少或消除冻胀。
3.2改善衬砌的约束条件。针对渠道底、坡衬砌体之间的互相约束，将渠道坡脚做成圆弧形式，采用弧底梯形等断面，利用结构改变衬砌面，用以改变冻胀位移方向，使衬砌受力均匀。
3.3提高渠道衬砌体抵抗或适应渠床基础冻胀变形能力。加大衬砌厚度，提高衬砌的整体性和增加衬砌材料强度，可以使衬砌具有较强抵抗基础冻胀变形能力，这种结构会相应地使衬砌费用增大，减小衬砌分块可以提高衬砌适应基土冻胀变形能力，但分块过小会加大砌缝止水难度，因此，选择那种结构，必须根据实际情况，以经济合理的原则选用。
4、解决渠道防治冻胀的措施
4.1基土换填法。将冻胀性基土换填为沙砾石、碎石或矿渣等非冻胀性土或弱冻胀土，换填砂砾料中粒径小于0.1mm，不得大于10%，距离小于0.5mm时，不得大于5%，且换填料应置到封顶板边界以外至少10cm，渠道边坡顶部的换填厚度不应少于10cm，下部不应少于50cm，对于渠道而言，相比全挖方新渠道，在渠道纵坡允许的情况下，应尽量采用半挖半填断面，改建渠道最好采用填高渠基，这样既经济又能较好地防冻胀。
4.2减小渠底水源补给，做好保温工作。从理论上讲，将基土中的水分控制在起始冻胀含水量之内，就不会发生冻胀。采取隔断式减少水源补给方式，减少冻结水来源，起到基土保温作用。一是将苯板置于基土上，采用10cm苯板，相当于换填100cm砂砾的保温效果，在苯板上进行衬砌材料施工，此法适用于工期较紧，渠道断面不大，砂石骨料运输较远的工程；二是防渗薄膜隔离层法，在砼板下铺设0.15-0.2mm厚的塑料薄膜做为隔离层，一方面防止渠水渗漏，降低渠道基土含水量，减少地下水补给量，在一定程度上提高地温，降低冻土层中温度梯度造成的渗透压力，防止或减弱冻胀破坏；三是提高渠道伸缩颖材料的性能。利用焦油塑料胶泥或沥青砂浆等粘力强、弹性大、耐老化材料进行伸缩缝处理，防止伸缩缝填充材料破损或失效。
4.3提高施工材料的抗冻能力。根据当地气候条件，结合土质情况，适当提高砼的设计抗渗、抗冻标号，选择密实度高的骨料，砼胶凝材料最好选用抗冻性较好的普通硅酸盐水泥，避免使用复合硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥或矿渣水泥，并掺入合适引气剂或减水剂，改善砼内部孔隙结构，起到缓冲冻胀的作用，降低冻用应力，提高砼的抗冻性。其次严格砼制作配合比，根据结构类型和所处环境，通过试验确定参数，降低砼水灰比，在施工中，水泥水化所需水分仅为其重要的25%左右，若水量增加，多余的水就游离析出，产生孔隙，饱和后易受冻胀破坏。同时在施工时，严格按配合比进行砼拌制，规范振捣，提高砼密实性，还可采用聚丙烯纤维砼或钢丝网砼等具有较强韧性或变形能力新型砼材料，增强砼早期抗拉强度，减少表面开裂，增强结构的抗渗性和整体性，从而提高渠道衬砌体抗渗性和抗冻性。
4.4改变渠道结构提高抗冻能力。结构抗冻法可根据渠道分布的地质结构、地下水位埋深和渠道过流以及渠外排水条件不同，改善渠道衬砌断面的形状，加强衬砌构体的整体性来提高抗冻性能，设计流量大于9m3/s，选择弧形坡脚梯形断面或梯形断面；设计流量在3-9m3/s时，选择弧形坡脚梯形断面或弧底梯形断面；设计流量在1-3m3/s时，选择弧底梯形断面或U型断面；设计流量小于1m3/s时，选择U型断面。同时对渠基垫层料换基，科学合理地安排冬季灌水时间，减少渠基渗水量，避开灌区冬季结冰时将渠道内渠水排空，减少渠道基础中的水分，改变基土水分，以消除或减弱基土冻胀。
论文作者:史煜东
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/1
标签：渠道论文; 断面论文; 灌区论文; 基础论文; 结构论文; 砂砾论文; 条件论文; 《基层建设》2019年第22期论文;