灌區渠道凍脹防治措施淺析

陳焰炯 石江琳

（新疆兵團勘測設計院

（集團）有限責任公司石河子分公司 新疆 石河子 832000）

1 引言

灌溉渠道防滲襯砌是減少輸配水沿程損失、提高水資源利用效率、增強渠道岸邊抗滑穩定性能以及控制灌區地下水位的工程中廣泛采用的技術措施。據相關研究表明，沒有任何防護襯砌的土渠，其沿程滲漏損失水量約占整個渠道總引水量的35%～60%左右，水資源浪費十分嚴重。由此可見，渠道防滲襯砌所具有的節水潛力相當大。灌溉渠道防滲襯砌防護工程雖在很大程度上提高了渠道引水資源的綜合利用效率，促進了節水農業的可持續快速發展，但在季節性凍土灌溉區，渠道襯砌結構的凍脹破壞問題一直是制約灌溉渠道工程建設發展的一大難題。通過一系列大型灌區普查發現，渠道襯砌陰坡的平均凍脹率較高，幾乎可以達到72.6%，陽坡為27%。灌溉渠道襯砌的凍脹問題，不僅影響到渠道工程高效、經濟和安全運行，同時還給灌區工程實際運行管理帶來巨大困難，大大縮短了水利工程綜合使用壽命，因而，對渠道凍脹破壞的影響因素進行深入研究，就成為水利工程工作人員研究的一個重要課題。

2 概況

2.1 灌區及渠道基本情況

新疆某灌區遠離海洋，氣候干燥，屬大陸性干旱氣候，冬冷夏熱，日溫差大，光照充足，熱量豐富，雨量稀少，蒸發量大。根據當地氣象站觀測資料，灌區內氣象子單元有一定差異，年平均氣溫7.0℃左右，極端氣溫為-42.2℃～43.1℃和-38℃～43.2℃。灌區范圍內自上向下年溫差逐漸增大，無霜期152天～169天。灌區最大凍深1.60m。

目前，灌區內渠道襯砌普遍采用的處理方法是對基土進行換填處理，將渠道內的凍脹性土壤換填成40cm厚砂礫料。但經過多年觀察，每到冬季，渠道襯砌的混凝土表面均因凍脹產生了不同程度的變形、斷裂，且換填施工時開挖量大，施工困難，施工質量又難以保證，換填厚度往往達不到要求。

2.2 灌區凍脹表現形式

2.2.1 表面剝蝕

該灌區渠道均為混凝土襯砌，因砼材料內含有一定水分，在負溫下凍結成冰，體積膨脹，當其作用力大于砼強度時，就會產生裂縫，并增大吸水性，經過多個凍結—融化循環和應力的反復作用，灌區內砼表面砂漿面層部分剝蝕。究其原因，應該是施工過程中砼表面振搗不密實所造成。

2.2.2 鼓脹及裂縫

在冬季，該灌區溫度較低，渠道砼襯砌板與基土凍結成一個整體，承受著凍結力、凍脹力以及砼板本身收縮產生的拉應力，當這些應力值大于砼板在低溫下的極限應力值時，渠道板體就會發生破壞。在灌區內，尺寸較大的砼板順水流方向，襯砌出現凍脹裂縫，縫位一般在渠坡腳以上1/4～2/3坡長范圍內和渠底中部。經實測，在灌區冬季渠內存水時，裂縫一般出現在水面附近的渠坡上。

2.2.3 隆起、架空

灌區內有些渠段地下水位較高。凍脹量大的地方往往出現在渠底，渠頂凍脹量相對較小。經觀測，在地下水位較高的渠段，在渠底中部或坡腳處，襯砌出現大幅度隆起、架空現象。

2.2.4 滑塌

該灌區的部分襯砌渠段有凍融滑塌現象發生。多次凍融破壞，使坡地、坡腳處砼襯砌板架空、隆起，春季基土融化期，原本受力的部位失去平衡穩定，砼襯砌板被推開，上部襯砌板塌落，渠坡滑塌。

2.2.5 整體上抬

經觀測，在該灌區的部分渠段，由于混凝土襯砌整體較好，基土填充均勻，渠道內襯砌破壞并不明顯。但是，通過水準儀可以測到，渠段有整體抬升或下沉現象發生。

3 凍脹機理分析

渠道凍脹的條件包括土壤內土體、水的顆粒物理性質和低溫等，而渠道凍脹破壞源于渠道基土體積因受凍而發生膨脹，直至破壞渠道襯砌混凝土。首先，寒冷地區負溫的持續存在為渠道凍脹破壞提供了前提條件；其次，由于施工質量等原因，加上土壤內的毛細水和自由水、外界水分的持續性補給為渠道凍脹破壞提供了先決條件和必備條件；最后，土壤內土體的物理力學性質（如礦物質成分、土體顆粒等）為渠道破壞提供了條件。基于上述三大條件可知，水始終是整個渠道凍脹破壞的活躍因子和必要元素。

調查結果顯示，某灌區渠道凍脹破壞現象主要分布在中下游，究其原因：寒冷地帶灌區中下游土壤顆粒較細、地下水位較淺、土壤內毛細水和自由水補給量大，若該地區氣溫持續負溫，土壤內毛細水和自由水必然因受凍而發生體積膨脹，進而導致渠基土體膨脹，頂托混凝土襯砌，最終導致渠道凍脹破壞。渠道凍脹破壞已經成為制約該灌區經濟發展的重要影響因素，其亦是渠道建設必須要攻克的重點難點。

4 灌區凍脹防治措施

結合該灌區的具體情況，提出了以下三種防治凍脹的措施，現分別介紹如下。

4.1 渠基土換填法

渠基土換填法具有保溫作用明顯、優化渠基土體結構等特點，具體表現在如下幾個方面：若渠道建設地附近換填材料充足，則渠基土換填法可有效控制渠道建設成本；若渠基土換填較徹底，且換填質量符合工程設計要求和國家現行規定，則該處理方式可長期規避渠道凍脹破壞現象的出現。無可否認，渠基土換填法亦存在如下不足之處：①渠基土換填法具有換填土方量大等特點，該特點對換填材料需長距離運輸的情況是相當不利的，即該處理方式在某些情況下，施工成本會異常的高；②渠基土換填施工難度系數大，進而不易控制渠基土換填的施工質量。某灌區部分凍脹破壞嚴重的渠段，剛好渠道附近有豐富的弱凍脹土材質-沙礫石和風積砂，再加上此渠段為半挖半填渠段，綜合各種因素考慮，采用渠基土換填法防治渠道凍脹破壞。經過一段時間的運行觀測，效果良好。

4.2 單一的鋪設苯板保溫材料

近年來，渠道凍脹破壞的苯板保溫法被廣泛應用，其對防止渠基土凍脹破壞具有很好的效果，但其僅具備保溫作用。采用苯板保溫法的理由如下：苯板材料屬于一種新型材料，其抗凍效果非常好，且已由苯板抗凍試驗資料證實，苯板厚約10cm的保溫效果等效于砂層厚約100cm；苯板保溫法施工難度系數不大，且對渠道斷面開挖要求不高，即渠道斷面開挖面積不大，無需挪動基土，僅需把苯板直接安置到渠基土斷面或把材料直接襯砌到苯板上；苯板保溫法對施工機械的數量要求較少，人工勞動強度較低，且苯板保溫法無需換填渠基土，進而有效控制了施工成本，尤其是渠基土換填材料運距過大時，苯板保溫法的經濟性更加明顯。該灌區是一個運行了幾十年的老灌區，凍脹破壞嚴重，渠段較長，自部分渠段鋪設苯板保溫材料防治凍脹以來，效果明顯，且經濟實惠，給灌區帶來了可觀的效益。

4.3 適當布置渠道伸縮縫

經實測，在該灌區，裂縫多產生在2m～4m之間，尤以3m～4m居多。根據這個結果，擬定在渠系改建過程中，施工縫設置在2m～5m之間，設置太密，會增加工程量，影響施工進度；太少又起不到作用。考慮到施工的便利，每3m～4m設置一道。并且在基礎變化（如土石交叉）地段增設變形縫，同時加厚基礎襯砌材料，避免因不均勻沉陷造成斷裂。從縫隙漏水情況看，是因為縫隙中沒有填塞物或填塞物沒有起到作用而漏水，所以，要在縫隙中鋪設具有較好低溫延展性、高溫穩定性的材料，防止滲漏的發生。

這里提到一個新材料-SBS改性瀝青防水卷材，它是以SBS橡膠改性石油瀝青引為浸漬覆蓋層，以聚酯纖維無紡布、黃麻布、玻纖氈等作為胎基，以塑料薄膜為防粘隔離層，經選材、配料、共熔、浸漬、復合成型、卷曲等工序加工制作成的低溫柔性較好的防水卷材。這種卷材具有很好的耐高溫性能，可以在-25到+100℃度的溫度范圍內使用，有較高的彈性、耐疲勞性以及耐撕裂能力，適合北方寒冷地區，以及變形和振動較大的工業與民用建筑的防水工程。在伸縮縫處嵌入SBS改性瀝青卷材，此法的優點是：能在主體工程施工的同時進行，且不需要其它的設備，施工便利，節約工期。缺點是：很多工人沒有接觸過這種方法，要在施工現場進行培訓，加大了施工管理工作量；材料價格相對較高，但由于渠道斷面較小及施工簡便，折算后的投資單價并不比瀝青砂漿灌漿法高。

5 結語

凍脹破壞處理方式的選擇應該綜合考慮凍脹三大因素的影響和工程施工的經濟性，但不主張針對某一地區或某一工程采用單一的凍脹處理方式。如某灌區，在部分基土材料充足的渠段采用渠基土換填法，部分不適宜換基土的渠段采用鋪設苯板保溫材料的方法，同時，在改建過程中，縫間隙填充改性瀝青防水卷材，經實際運行，防凍脹效果良好。所以，渠系防凍脹是一個系統工程，應該綜合考慮施工對象的有關影響因素和施工成本，把多種防凍脹處理辦法配合使用，且做到主次分明，如切斷土壤內水分補給方式+渠基土換填法；戈壁層/砂+苯板保溫或塑料薄膜保溫法，以此減輕或消除渠道凍脹破壞現象。