摘要：我国渠系遍布全国，渠道渗漏、冻胀一直是制约渠系高效输水的两大技术难题。本文系统分析了渠系渗漏、冻胀破坏产生的原因；并通过理论分析、试验研究、实际工程研究三方面对渠道渗漏冻胀破坏进行探讨，对国内渠道防渗防冻涨方法进行归纳、总结，并对不足之处进行讨论；最后提出展望和思考，为发展节水事业奠定基础。
关键词：渠道；渗漏；冻胀
Advances on seepage and frost heave control of canal methods in China
Abstract: Canal system of China is throughout the country, and canal seepage, frost heave are always two super technical problems for canal system with water efficiency. This paper analyses the causes of the leakage and frost heave of canal system; then the author make research on these two problems by theoretical analysis,experimental research, and practical engineering research three aspects, introduce, summary, and discuss the methods used for seepage and frost heave control of canal; at last, the author put forward forecast and thinking, to lay the foundation for the development of water-saving.
Key words： cannal；seepagee；frost heave
1 背景
我国水资源匮乏，人均只有2300m3，仅为世界平均水平的1/4，耕地平均分摊水量只有世界平均数的3/4[1]。农业用水比重很大：据统计，2011年农业用水量3743.5亿m3占全国总用水量6107.2亿m3的61.3%。但农业用水普遍存在灌溉效率低和用水浪费严重的现象，其灌溉水利用系数仅为0.51 [2] 。渠道防渗是目前世界各国应用最广泛的节水灌溉工程技术措施之一，可以极大地减少渠道输水过程中的渗漏损失[3]。
我国渠道普遍存在不同程度渗漏问题，北方地区渠道冻胀问题也比较常见。冻胀剥蚀、冻胀裂缝、冻融塌陷等不良现象时有发生，渠道冻胀又会加深渠道渗漏问题，对渠道管理运行等造成不良影响。为提高水资源的利用率，许多地区通过衬砌、铺设防渗膜、掺加其他防冻胀材料，合理设置渠道体型，采用适当结构等措施减少渠道渗漏预防渠道冻胀破坏，并取得了一定成果。本文对国内渠道渗漏冻胀问题进行研究，借鉴成功经验，对存在问题进行讨论，为我国渠道防渗防冻胀建设提供理论基础。
2 渠道渗漏、冻胀产生的原因
2.1 渠道渗漏产生的原因
渠道渗漏发生在渠道内水位高于地下水位时，由于渠道衬砌遭到破坏，渠道内水渗漏到周边土壤中造成渠系输水浪费。通过对国内渠道渗漏渠系进行研究，发现渠道渗漏破坏主要来自以下几个方面：1灌区渠道伸缩缝破坏造成渗漏。渠道衬砌时一般均要设置纵、横向伸缩缝满足变形需要。伸缩缝发生老化等不良现象必然会造成渠道渗漏损失。2灌区渠道冻胀脱落造成渗漏，这是冻土地区渠道渗漏最主要的因素。冻胀损坏渠道结构，迫使衬砌混凝土板出现鼓起、松动、错位等不良现象造成渗漏，冬季气温较低的新疆、甘肃、黑龙江、内蒙古、黑龙江、宁夏、陕西、河南、吉林、西藏、辽宁等均存在渠道冻胀破坏引起渗漏的问题。3渠道周边环境影响。我国部分地区，杂草杂树横生，致使渠系所处位置多虫蚁，这些虫蚁生活在渠道周边，它们挖洞等行径对渠道造成不同程度的破坏，致使渠道发生渗漏现象，不仅如此，杂草杂树根系若深入渠道周边土层结构，也会破坏渠道原有结构，造成渗漏现象发生。4保护意识淡薄。对渠道运行管理不善或农民对渠道缺乏保护意识，会直接或间接造成渠道破坏，发生渗漏现象。对渠道管理不善主要体现在对发生破坏渠道不及时维修、渠道运行过程中水位猛升或猛降、部分渠道冬天或长时间不过水；缺乏保护意识造成破坏主要体现为就渠道周边取土、挖沟甚至人为的直接破坏。5勘测或设计环节有误。渠道设计时部分单位缺乏责任感，贪多求快，没有充分做好勘测工作，对基础地形地质构造资料、土壤性质没有清晰，造成渗漏破坏等不稳定隐患。6施工不达标。施工不达标主要体现在渠道施工时基础处理不到位、现浇混凝土施工时架模出现误差、预制混凝土衬砌伸缩缝处理不当[4]三方面。
2.2 渠道冻胀破坏产生的原因
渠道冻胀破坏主要是指衬砌混凝土面板承受不住由于基土冻胀变形而产生的冻胀应变，尤其是不均匀冻胀变形的的作用力混凝土护板出现鼓起、松动、错位等现象。常见的冻胀破坏表现为冻胀剥蚀、冻胀裂缝、冻融塌陷等。
渠道冻胀破坏的原因可归结为以下五点：1气温因素。较长时间的负温是渠道产生冻胀破坏的必要条件。2灌区土壤成分中含有粘土和壤土，属于冻胀性土质[5]。3水分的存在。渠道发生冻胀破坏离不开水分的存在，这些水分主要有两个来源，一是某些渠道为冬季输水渠道，渠道存在大量水分，二是冬季灌区地下水位较高，渠道中有残余水分。工程实践表明，残余水分的存在造成的冻胀破坏明显高于冬季正常输水灌区冻胀破坏。4渠道结构设计。弧形坡脚梯形渠衬砌U型渠道可以大大减轻冻胀破坏，是抗冻胀最有利的断面形式[6]。5渠道自身结构的破坏的影响。渠道的破坏若不及时处理会加重冻胀的发生，这是因为结构破坏后，渠道将发生较大渗漏，基土中的含水量超过冻胀临界含水量必然引起冻胀破坏。
工程表明渠道冻胀和渠道渗漏是紧密相关的，在严寒地区发生渗漏破坏的渠道都会发生不同程度的冻胀破坏，冻胀破坏的产生又会加重渗漏破坏的程度。
3防渗防冻胀研究现状
对渠道防渗防冻胀研究分为理论探讨、试验研究、实际工程建设三方面。理论研究包括传统理论研究以及数学模型法，传统理论研究是指通过改变试验条件，寻求渠道冻胀破坏关键问题，该方法一般无试验支撑，仅为渠道防渗防冻胀提供参考依据，数学模型研究是通过ANSYS、HYDRUS-2D等数学模型探讨渠道渗漏、冻胀机理，为灌溉渠道防渗防冻胀提供依据；试验研究是指通过模拟达到相似条件寻找适当措施预防渗漏冻胀破坏的发生；实际工程建设是防渗防冻胀最直观最有效的方式。
3.1理论探讨
3.1.1传统理论研究
传统理论研究是指通过改变试验条件，寻求渠道冻胀破坏关键问题，进而避免工程中出现该类型破坏。该方法并无试验支撑，只为渠道防渗防冻胀提供参考依据，其可靠性有待进一步研究。本文仅以宋玲[7]研究成果做简要说明。
传统衬砌渠道中柔性薄膜料厚度较小，温度低于0℃后易变硬、变脆、延伸率差，不能起到对渠道应有的防渗防冻胀作用的现状，宋玲[7]对渠道渗漏冻胀问题进行了研究。发现改性沥青防水卷材从力学指标上满足要求，可用做刚性材料作为护面板的“双防”渠道防渗衬砌形式，其物理力学性能指标见表1。
表 1 改性沥青防水卷材物理力学性能指标
3.1.2 数学模型研究
数学模型方法是指科研工作者应用现有成熟或者较为成熟的理论公式以及数学模型软件，通过边界条件、初始条件等限制条件，建立完整模型方程，进而通过求解，确定所需未知量，进而指导工程。现阶段对渠道防渗防冻胀的研究所采用的数学模型法主要有有限元法（如ADINA等）、HYDRUS-2D、非恒定流模拟方法。不同数学模型法各有优劣，下面对这几种方法进行简要介绍和评价。
有限元法是较为成熟的一种数学模型方法，广泛应用在结构分析、流态模拟等方面，在渠道防渗方面也有重要地位。黄炜[8]采用有限元法建立渗流模型，对南水北调中线工程陶岔至鲁山段含透水层渠基的挖方渠道渗流问题进行研究。通过数值模拟对比分析了降水井和防渗墙方案的渗控效果，并提出相应渗控措施，模拟结果很好的应用在了工程实际中，有效地保证渠道正常输水。有限元中应用较为成熟的软件为ADlNA软件。刘旭东[9]应用ADlNA软件对混凝土衬砌“适变断面”渠道冻胀进行数值模拟，计算渠道冻胀的温度场、变形场和应力场，研究衬砌板应力和变形规律，量化了“适变断面”的优点，但具体参数（断面渠道缝位置及个数、水力最佳断面等）对渠道抗冻胀产生的影响有待进一步研究。王正中[10]利用ADINA对渠道进行模拟研究，研究了设置对冻胀的影响，数值模拟结果与工程实践基本一致。研究成果表明有限元法能够为季节冻土区渠道设计提供科学依据。
HYDRUS-2D是用来模拟二维空间上饱和—非饱和介质中水、热及溶质运移的软件HYDRUS-2D可以灵活处理各类水流边界（包括定水头边界和变水头边界、定流量边界、大气边界等）。毛晓敏[11]用HYDRUS-2D对渠道渗漏和土壤水分分布进行数值模拟研究，模型中垂向二维情况下的饱和—非饱和土壤水运动采用Richards方程进行描述：
(1)
式中：x和z分别表示水平向坐标和垂向坐标，m；t为时间，d；θ是土壤体积含水率，m3/m3；h为压力水头（在非饱和带为负，表示基质势），m；K（θ）是与土壤含水率有关的导水率，m/d。
模拟结果和实测渗漏量、实测渠道周边土壤含水率等吻合较好，但该HYDRUS-2D模型是基于确定性模型建立的，在实际情况中，当土壤层状结构差异较大、初始土壤含水率较小时，有可能出现不同于该现象的指流情况，此时模型的建立与毛晓敏不再相同，因此模型的适用性有待进一步验证。
与毛晓敏[11]类似，孙美[12]渠床含有夹砂层情况下的渠道渗漏规律进行HYDRUS-2D模拟，对比均质土（砂壤土）和层状土（含夹砂层）条件下的室内渠道渗漏试验结果，总体来说基于 Richards 方程的饱和—非饱和土壤水分运动模型能够对含有夹砂层渠床的渠道渗漏及土壤水分运动进行模拟，但由于渠床中禁锢气体的存在可能阻碍湿润锋行进，使模拟结果产生误差。
李抗彬等[13]对采用渠道非恒定流模拟方法—圣维南方程组对石头水库东干渠不同水流情况下的运行状态进行数值模拟，对渠道渗漏检测的可行性进行分析。圣维南方程组如下：
连续方程
(2)
动量方程
(3)
式中：B为断面水面宽，m；Z为渠道断面水位，m；t为时间，s；Q为断面流量，m3/s；q为单位长度上渠道侧向回流流量，m2/s；v为断面平均流速，m/s；A为断面面积，m2；C为谢才系数；s为计算断面的距离坐标，m；R为水力半径，m；
，
为渠道断面水深为常数时，断面面积沿程变化率；i为渠道底坡；g重力加速度，m/s2。
模拟结果表明基于圣维南方程组的非恒定流模拟方法可作为了解渠道运行状态的一种有效方法，运用该方法对渠道渗漏点位置的检测可为渠道正常运行提供依据。
3.2 试验研究
试验研究不仅可以探讨出影响渗漏的关键性因素，也可研究出新的抗冻胀材料。在渠道防渗防冻胀研究中具有重要地位。
渠道渗漏受渠道衬砌形式的影响是无可争议的事实，但往往存在这样的观点，混凝土或卵石衬砌效果要优于其他防渗漏措施。但姚立强[14]运用净水法对武威地区四种不同渠道（混凝土衬砌、卵石衬砌、渠床压实处理及黏土衬砌和渠床压实处理）进行渗漏研究，发现渠床压实处理及黏土衬砌渠道渗漏量最小，渠床压实处理渠道渗漏量次之，随着时间的推移，混凝土衬砌渠道渗漏量要稍大于卵石衬砌渠道，表明当渠床附近土壤呈压实和弱透水特性时，其对渠道渗漏的影响甚至超过渠道衬砌类型产生的影响，成为影响渠道渗漏的控制性因素。因此工程中混凝土或卵石衬砌效果未必优于压实处理后的防渗处理，在防渗设计中应综合考虑渠床下土质特性来进行渠道防渗衬砌方案的制定。
试验研究也可研究出新的防渗防冻胀材料，何武全[15]提出了一种填充玉米秆碎粉的复合型聚氨酯泡沫保温塑料板，该材料使用玉米秆碎粉作为填充材料，降低普通聚氨酯保温材料所制保温板价格，与其他保温板相比对其性能归纳入表2。
表 2 复合型聚氨酯泡沫塑料板与其他保温材料性能的比较
但试验中填充玉米秆碎粉的复合型聚氨酯泡沫塑料板的吸水率较大，对工程不利。研制出更适合工程应用的材料仍需不断试验研究。
李卓[16-17]研究冻融循环作用下对比分析了土工袋处理渠道和常规渠道冻融冻胀特性，提出一种新的防冻胀破坏方法—土工袋方法，并对其抗冻胀机理进行研究：在封闭系统中，土工袋处理渠道通过加筋作用达到防冻胀效果，在开放系统中，土工袋处理渠道通过抑制毛细水和薄膜水通过土工袋之间上升，达到防冻胀效果。研究中渠道及其建筑物防冻胀同时考虑了冻胀量和融沉量的作用，土工袋性能表现良好，可为渠道防冻胀提供理论基础。
3.3 实际工程建设
在实际工程中由于各地施工水平参差不齐、设计水平不等、主管部门重视程度不等、管理团队管理意识和能力千差万别等，实际工程建设需要系统总结经验教训。
黄炜[8]对南水北调中线陶岔至鲁山段渠道防渗进行研究，因地制宜，在采用渠道全断面现浇混凝土衬砌的防渗措施的基础上，对存在侧向或者垂直渗漏问题的渠段、衬砌结构在地下水位高于渠水位渠段分别采取了复合土工膜加强防渗、由排水垫层、透水软管和逆止阀等配套的排水设施，并在渠坡采用塑料排水盲沟作为排水垫层等措施，成功运用于工程实践。李艺珍[18]针对河南省引黄灌区土质疏松特点，探索地下水位以上渠道衬砌仍采用混凝土结构，地下水位以下的渠坡和渠底，在强富水区，采用浆砌石框架内铺干砌石结构，干砌石下设滤层；中等富水区在混凝土衬砌层上设置排水孔，孔中填无砂混凝土块，块底铺设滤层等措施，并成功在武嘉灌区引水渠和武嘉总干渠衬砌改造中得到应用。肖弟康[19]结合藏东地区渠道存在的渗漏、冻胀等问题，从加强新灌溉工程的规划、建设管理工作；以节水为中心, 依靠科技进步, 提高灌溉水的利用率；灌区地下水动态平衡保护措施；建后管理四方面给出了可操作的方法。江秋娴[20]对九湾潭水库灌区渗漏问题进行研究，从产生原因，渗漏危害，预防措施、人为管理方面阐述了渠道防渗措施。何武全[21]针对我国北方季节性冻土地区，混凝土衬砌防渗渠道的冻胀破坏比较广泛，根据北方16个大中型灌区调查资料，总结了不同条件下渠道防渗防冻胀技术的应用模式，认为在渠道防渗工程冻胀破坏严重的地区，应结合灌区的具体情况，采用防渗防冻胀复合结构形式，才能起到较好的防冻胀效果，值得类似工程借鉴。
4 结论与展望
综合以上研究，对渠道渗漏、冻胀问题研究认识可归结为以下几点：
（1）渠道渗漏冻胀问题在我国范围内普遍存在，虽然取得了一定研究成果，但成果不集中，需要进一步深入分析归纳。
（2）对渠道渗漏冻胀破坏的传统理论研究，不具备直接应用性，仅为渠道防渗防冻胀研究提供理论依据；数学模型研究应用广泛，可有效解决了许多工程实际问题，但需要专门的理论知识，不便于一线工作人员应用，不便推广；试验研究可操作性强，对渠道防渗防冻胀问题来说具有更强的直观性，更加接近工程实际，更有更好的可信度；实际工程建设通过实际效果对采用防渗防冻胀措施进行验证，是最真实可靠的，可为后继类似工程提供强有力的指导作用。
（3）无论是理论研究，试验研究，还是实际工程建设，都有自己优点，对渠道防渗漏防冻胀建设来说，不能局限于一种方法，应要考虑渠道建设中各种因素，保证渠道建设高效、经济、安全。
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论文作者:黄涛,韦道嘉
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/16
标签：渠道论文; 防渗论文; 断面论文; 灌区论文; 混凝土论文; 土壤论文; 工程论文; 《电力设备》2018年第33期论文;