灌區冬季輸水渠道防冰和防凍脹措施分析

張宇峰

摘 要：灌區冬季輸水渠道常由于冰害和凍脹破壞，造成渠系水利用效率低、滲漏損失多、渠堤穩定性差滑塌嚴重等問題，為提高渠道輸水能力，強化渠道綜合防冰害和抗凍脹能力，合理選用與工程實踐相匹配的防冰和防凍脹措施，變得非常迫切。文章在對灌區輸水渠道凍害類型及特征進行簡單闡述后，從優化調度運行方案、隔水排水、隔溫保溫、優選適應凍脹變形材料等方面，對灌區冬季輸水渠道常用的防冰和防凍脹技術措施進行了分析研究。

關鍵詞：渠道；冬季輸水；冰害；滲漏；凍脹破壞

中圖分類號：TU99 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0147-02

陜西省地處西北內陸腹地，冬季受冷高壓氣候控制，氣溫普遍較低，陜北地區甚至低于零下20 ℃以下，且持續時間普遍較長。輸水渠道在寒冷冬季容易由于冰凍結冰問題，形成水內冰、浮冰和冰蓋等造成冰堵、冰塞等問題，不僅會影響渠道的整體輸水性能，同時還給輸水建筑物帶來較為嚴重的冰凍破壞[1]。另外，季節性凍土地區，渠道常采用的鋼筋混凝土剛性防滲層容易出現凍脹破壞，形成凍脹裂縫導致渠道滲水、漏水，引起渠道渠系水利用系數降低，水損嚴重。

因此，針對灌區冬季輸水渠道的運行特性，合理采取有效的防冰和防凍脹破壞的技術管理措施，增強渠道綜合防護性能，提高渠道渠系水利用效率，確保其安全可靠、節能經濟運行，具有非常重要的工程實踐應用研究意義。

1 灌區輸水渠道凍害的類型及特征

陜西絕大部分地區在冬季寒冷氣候影響下，其氣溫普遍降低到0 ℃以下，負溫環境下結冰、凍脹等將給混凝土剛性襯砌層帶來破壞作用，即對渠道防滲層帶來凍害。

1.1 冰凍破壞

對于冬季繼續輸水運行渠道而言，結冰會對渠道混凝土襯砌結構帶來破壞，即工程中的冰凍破壞。在負溫環境中輸水運行，渠道中的水體會不斷結冰，尤其是當渠道水面被完全封凍后，冰凍層也會隨冰的積累而不斷加厚，這樣就會對渠道坡面的襯砌體產生較大的冰自重和膨脹壓力，會引起混凝土襯砌體發生移位或壓力變形。

另外，漂浮在水體表面的冰塊或冰屑會不斷積累形成冰蓋，減少渠道有效過水斷面，阻擋渠道水的正常流動，降低輸水效率，嚴重時會由于水體表面全面封堵，形成冰壩，造成渠水出現漫溢等問題，給渠道帶來潰渠等安全隱患。

1.2 凍融破壞

渠道混凝土防滲層內部存在的孔隙水由于凍融特性，會引起襯砌層發生破壞，即凍融破壞。渠道混凝土襯砌層其自身具有一定吸水性，且運行在常有水環境中，防滲材料中勢必會存在一定水分[2]。材料中的水分在負溫條件下，就會出現結冰體積膨脹，大約比原體積增大9%左右。這種孔隙水膨脹作用，一旦其應力超過渠道襯砌混凝土材料的強度時，就會導致防滲材料產生形變出現裂縫，尤其是經歷多個負溫循環后，材料吸水性更強，孔隙水膨脹破壞作用將會更嚴重，最終會引起渠道混凝土防滲襯砌材料出現表層剝落、凍酥等凍融破壞。

1.3 凍脹破壞

冬季負溫環境中，渠基土會出現凍融、融沉等問題，而對渠道混凝土襯砌結構造成凍脹破壞。季節性凍土區的渠道，其在冬季負溫條件下，渠基土中的水由于結冰而體積膨脹增大，當膨脹壓力超過混凝土的耐壓時，襯砌層就會發生隆起等破壞。渠道混凝土襯砌結構由于凍脹性能出現開裂、折斷等問題。春季消融，導致渠基土體結構穩定性和強度大大降低，造成防滲襯砌混凝土發生破壞，嚴重時還可能引起這個襯砌結構體發生滑塌等事故，影響渠道的正常輸水運行。

2 灌區冬季輸水渠道防冰和防凍脹措施分析

冬季輸水渠道發生冰凍、凍融和凍脹等破壞，主要取決于渠道建筑物結構形式、土質條件、負溫環境和養護措施[3]。合理采取有效的防護措施，抑制、改善或消除某種因素，則可以大大減輕或防止渠道襯砌結構發生凍脹破壞，確保渠道具有較高的輸水可靠性和經濟效益。

2.1 合理確定冰害位置，優化調度運行方案

從大量理論研究和實踐工作經驗可知，冬季輸水運行渠道，其冰情和冰害等主要發生在渠道干線、進水閘、壓力前池等構建物部位，即灌區渠道工程中的“一線多點”冰害位置。對于渠道干線可能產生的冰害，在實際運行過程中建議按照輸冰運行或結冰蓋運行方式進行輸水運行，這樣可以降低結冰對干線襯砌混凝土的破壞；對于進水閘、壓力前池等冰害部位，可以采取水力拉冰或機械排冰等措施，以減輕結冰程度，降低冰害破壞力。

渠道的岸冰應控制在40 cm以內，如果岸冰寬度接近40 cm或大于40 cm時，應及時采取加熱、通氣、排冰、打撈、機械松動等措施進行有效清除。應根據工程實際情況，在渠首和沿線等合適位置處，通過優化布設塘壩、排冰道等水工建筑物通過將冰凌存蓄、排除等措施，降低其在渠道內部的結冰程度，以避免出現冰堵、冰塞等問題。

2.2 優化渠道結構斷面、換填置換邊坡土體

合理選用渠道結構，對于渠道流量在3 m3/s及以下的小流量、小流速輸水渠道，應優選采用輸水效率較高、防冰凍性能較強的“U”型或矩形斷面，可以利用渠道自身結構來有效提高其抗滑穩定性和抗應力破壞作用[4]。做到渠、路、溝的統籌規劃布置，合理設計方案可以有效降低渠床基土含水量，以確保整個渠道輸水具有較高安全可靠性。

應根據工程區季節性凍土特性，將渠道坡面土體進行置換處理，即：采用砂礫、戈壁石等具有較強非凍脹性能的材料，將渠道邊坡板下存在凍脹破壞特性的土料進行置換處理，其置換厚度應以工程區最大凍土深度的2/3為宜。灌區渠道冬季過水運行時，渠道凍脹部位將會從下1/3部分向上轉移，會出現明顯增高現象，大致在渠道邊坡板的中1/3部位處發生凍脹破壞。合理土體置換后，渠道邊坡混凝土襯砌板下負溫區土體雖會發生凍結，但由于置換后土體不具備凍脹性能，不會發生膨脹變形，相應渠道邊坡襯砌板也就不會發生凍脹破壞。

2.3 隔溫和保溫防凍脹措施

在渠道建筑物設計過程中，可以將輸水構建物深埋到工程區凍土層以下，以達到深挖、深埋的隔溫、保溫和防止渠基土發生凍脹破壞的效果。宜在渠道防滲混凝土襯砌層下設置保溫層，如采用EPS聚苯乙烯膨脹泡沫板等防滲保溫材料，一方面可以提高渠道綜合防滲性能，另一方面可以通過保溫層，降低渠基土的凍脹破壞性能。

據一些工程實踐統計資料表明：渠道混凝土襯砌防滲層底部增加泡沫板后，整個渠系水的滲漏量僅為不加泡沫板膜襯砌的1/10左右，且渠道發生的凍脹量和凍脹破壞程度也可以降低70%，防滲抗凍脹保溫效果較好，經濟性較優越。

另外，可以在渠道兩邊適當增加種樹綠化，通過根系組成的非凍脹性纖維層，一方面可以改善混凝土襯砌的基土性質，可以利用樹根系組成網格狀土層結構，增強渠道的結構穩定性，同時可以利用樹木形成的“植物-空氣-水”循環，改善渠道運行水環境的微氣候循環，達到有效的保溫和防凍脹效果。

2.4 合理選用工程材料，提高工程防凍脹效果

在《渠道防滲工程技術規范》（SL18-2004，GB/T50600

-2010）中，明確規定了不同材料防滲渠道的允許凍脹量（砌石為1.0～3.0 cm；混凝土為0.5～2.0 cm；瀝青混凝土為3.0～5.0 cm），通過合理選用適應的防滲材料可以確保渠道工程具有較好的凍脹性能。

另外，還可以通過渠基土夯實、防滲層下設置深淺兩層封閉層、土體置換、植樹固堤等工程過水，通過加固、攔截等措施，阻斷凍結層水源補給，隔熱保溫提高渠道綜合防凍脹性能。

2.5 合理使用化學添加劑，增強渠道防凍脹性能

通過在土壤中合理使用化學材料，來改善土壤的物理化學性能，達到增強土體密實度降低渠道渠系滲漏量；增加基土抗破壞變形能力，提高渠道結構穩定性，如：土壤防滲劑、光固添加劑、土壤固化劑、鹽堿土改良劑等，有效阻止渠系水通過基土滲漏，增強基土強度，增強其抵御凍脹破壞的能力，改良土壤物理化學性狀，達到防止凍脹破壞的目的。

3 結 語

北方灌區冬季輸水渠道發生冰害和凍脹，是必然的自然氣象。為了有效提高渠道的綜合防滲和抗凍脹性能，結合工程實際，合理選擇技術優越、經濟合理的方案顯得尤為重要。要準確掌握渠道基土凍脹特性參數，按照“適應、削減凍脹”原則，因地制宜選擇合適渠道結構和襯砌方式，并加強渠道冬季運行的巡視管理力度，合理選擇土壤改良化學添加劑等技術措施，有效減輕或防止渠道凍脹破壞，將渠道凍脹破壞有效控制在防滲材料允許范圍內，提高渠道綜合防冰和防凍脹性能，延長防滲結構綜合使用壽命。

參考文獻：

[1] 宋玲，余書超.寒區冬季輸水渠襯砌的凍脹破壞及防治措施研究[J].中 國農村水利水電，2009，（6）.

[2] 陳愛俠.陜西省水資源利用效率及其影響因素分析[J].西北林學院學 報，2007，（1）.

[3] 楊利紅，崇巖峰.淺議渠道防凍脹處理方法[J].海河水利，2013，（3）.

[4] 馮廣志，周福國，季仁保.渠道防滲襯砌技術發展中的若干問題與建議 [J].節水灌溉，2004，（5）.