冬季過水渠道防凍技術(shù)措施探討

宋曲武　張輝

摘 要：對(duì)冬季過水渠道防滲層凍脹破壞特性進(jìn)行簡單分析后，對(duì)冬季過水渠道的防凍脹技術(shù)措施進(jìn)行了探討。尤其對(duì)改造渠道原結(jié)構(gòu)斷面型式、保溫防凍脹、“適應(yīng)、削減凍脹”防凍脹、隔水排水、適應(yīng)凍脹變形、強(qiáng)化渠道自身的抗凍脹能力等防凍脹技術(shù)措施進(jìn)行了認(rèn)真分析研究。合理的抗凍脹技術(shù)措施，可以有效提高渠道的防凍脹性能，確保渠道安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：渠道；滲漏；防凍脹破壞；削減凍脹

陜西省地處內(nèi)陸中緯度氣候帶，陜北、渭北高原和關(guān)中東部等地屬于干旱半干旱地區(qū)，降水稀少且變化較大。全省年均降雨量653mm，年均蒸發(fā)量為1608mm，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依賴灌區(qū)補(bǔ)水灌溉，呈現(xiàn)典型灌溉農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式，甚至有些地區(qū)出現(xiàn)沒有灌溉就沒有農(nóng)業(yè)的局面[1]。由于受當(dāng)時(shí)的建設(shè)資金、建設(shè)技術(shù)水平和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等因素的影響，渠道水損較大。渠道水的有效利用系數(shù)小，水損嚴(yán)重，不僅浪費(fèi)了大量水資源同時(shí)也影響到農(nóng)田生產(chǎn)灌溉的正常運(yùn)營。季節(jié)性凍土地區(qū)，渠道剛性襯砌防滲層容易發(fā)生凍脹破壞，采取合理的防凍技術(shù)措施進(jìn)行防滲漏、防凍脹處理，減少渠道水資源的損失，提高渠道水的有效利用系數(shù)，增強(qiáng)渠道自身的抗凍脹性能和安全可靠性，就顯得非常有工程實(shí)踐應(yīng)用研究意義。

1 冬季過水渠道防滲層凍脹破壞特性

1.1 凍脹破壞部位較高

按照冬季渠道是否過水可以將渠道劃分為冬季過水渠道和冬季不過水渠道，其中冬季不過水渠道其防滲層發(fā)生凍脹破壞大致在邊坡板的下1/3部位處；而當(dāng)渠道冬季過水時(shí)，渠道凍脹部位會(huì)明顯增高，大致在邊坡板的中1/3部位處。

1.2 凍脹范圍廣、隆起高度較大

由于冬季過水等因素的綜合制約，冬季過水渠道其凍脹范圍和凍脹量要明顯比不過水渠道大，其凍脹引起的邊坡板隆起高度要高很多，造成的凍脹破壞程度也更大。從實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，冬季過水渠道由于凍脹破壞其往往會(huì)在邊坡防滲板中部形成一個(gè)二臺(tái)，從而造成在防滲襯砌板下形成一個(gè)冰與泥的凍脹混合物，該混合物隨著春季氣溫的增加而變成稀泥或空洞，進(jìn)而形成渠道水滲漏點(diǎn)，造成渠道水損加重。

1.3 渠道加固修復(fù)后復(fù)發(fā)率較高，工程維修費(fèi)用較大

冬季輸水渠道由于其特殊的運(yùn)行環(huán)境，渠道加固修復(fù)后進(jìn)行冬季輸水，其發(fā)生凍脹破壞的頻率較高，需要結(jié)合工程區(qū)地質(zhì)條件、土質(zhì)條件、土體含水量及規(guī)律、負(fù)溫條件及渠道結(jié)構(gòu)型式，選擇合理的防凍脹措施有效防治襯砌渠道的凍脹破壞，提高渠道運(yùn)行的安全可靠性和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。

2 渠道的防凍脹技術(shù)措施

在防滲渠道防凍脹技術(shù)措施的選擇過程中，應(yīng)充分結(jié)合渠道實(shí)際考察結(jié)果，從渠道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、渠基處理、防滲襯砌結(jié)構(gòu)材料選擇、保溫體系建設(shè)等方面進(jìn)行綜合考慮，優(yōu)選技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、施工便捷、因地制宜的各渠段各異的防凍脹技術(shù)措施。

2.1 改造渠道原結(jié)構(gòu)斷面型式

對(duì)于渠道流量在3m3/s以下的小型梯形渠道，其在防滲節(jié)水改造過程中，推薦采用“U”型或矩形斷面來代替原有的梯形斷面，這樣利用渠道結(jié)構(gòu)自身具有較大的穩(wěn)定性和抗應(yīng)力破壞特性，可以有效提高渠道的防滲和防凍脹特性[2]。同時(shí)，對(duì)于渠基發(fā)生沉降等問題的部分渠段，在進(jìn)行防滲襯砌改造改建過程中，應(yīng)合理進(jìn)行拆除重建措施，在恢復(fù)原渠基后結(jié)合工程實(shí)際做適當(dāng)調(diào)整，確保渠道設(shè)計(jì)縱坡、坡度等均滿足設(shè)計(jì)或相關(guān)規(guī)范的技術(shù)指標(biāo)要求。

2.2 保溫防凍脹措施

負(fù)溫是渠道發(fā)生凍脹破壞的重要外因，通過在渠道防滲襯砌邊坡板下設(shè)計(jì)保溫層結(jié)構(gòu)，通過敷設(shè)保溫材料形成保溫隔層阻隔大氣與渠基土間的熱量交換，這樣可以有效提高渠基土的溫度和降低溫度變化波動(dòng)范圍，進(jìn)而達(dá)到消減或消除渠道凍脹環(huán)境，降低或防止渠道發(fā)生凍脹破壞。從大量的科學(xué)研究和實(shí)踐應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)可知，目前工程中常采用的保溫材料包括EPS聚苯乙烯膨脹泡沫板、高分子防滲保溫卷材等防滲保溫材料。在北方渠道工程中，主要采用在混凝土防滲襯砌板下敷設(shè)一層EPS聚苯乙烯膨脹泡沫板（即形成：混凝土防滲襯砌剛性板+砂漿過渡層+EPS聚苯泡沫板的渠道防凍脹結(jié)構(gòu)形式）來進(jìn)行防滲保溫。試驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)表明：渠道混凝土襯砌層底加泡沫板之后，渠道滲漏量僅為不加膜襯砌的1/15左右，且渠道發(fā)生的凍脹量和凍脹破壞程度可以降低70%，所取得的防滲抗凍脹保溫效果較好，經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)越。

2.3 “適應(yīng)、削減凍脹”的防凍脹措施

在《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》中，明確規(guī)定了不同材料防滲渠道的允許凍脹量（砌石為1.0-3.0cm；混凝土為0.5-2.0cm；瀝青混凝土為3.0～5.0cm），通過合理選用適應(yīng)的防滲材料可以確保渠道工程具有較好的凍脹性能。另外工程中常用的消減凍脹措施主要包括：（1）渠基土夯實(shí)處理；（2）防止渠道水滲漏破壞；（3）在渠道防滲板下設(shè)置深淺兩層封閉層，有效阻斷凍結(jié)層的水源補(bǔ)給通道；（4）通過在渠道外側(cè)植樹固堤，尤其以造柳樹帶為宜；（5）通過置換等措施合理控制渠基土的含水量。如：一灌區(qū)在梯形支渠防滲抗凍改造工程中采用混凝土預(yù)制板作為渠道防滲層，并在渠道兩邊種植柳樹，通過柳樹形成的局部小氣候和樹根在混凝土板下形成防滲海綿體根須網(wǎng)，在渠道防滲混凝土板下形成非凍脹性纖維層，可以作為減輕或防止渠道防滲層凍脹破壞的緩沖層，避免渠道發(fā)生凍脹破壞。

2.4 隔水排水、適應(yīng)凍脹變形的防凍脹措施

通過采用塑料薄膜、膨潤土防水毯、復(fù)合土工膜等防滲膜料，利用膜料自身良好的柔性、延伸性、抗拉性和抗老化特性，在混凝土防滲板下設(shè)置一層隔水層，來有效隔斷渠道滲水、大氣降水和地下水等對(duì)渠基凍結(jié)層的水源補(bǔ)給通道，減少和防止渠道水的滲漏損失，進(jìn)而削減或消除渠道的凍脹破壞特性。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇祝虻叵滤浑m低于渠底但渠基土透水性差含水量較高造成渠道的滲漏水、大氣降水等不能很快滲入到渠基土深處時(shí)，則需要設(shè)置有效的排水措施，通過設(shè)置排水溝等達(dá)到渠基水排泄暢通，有效減少渠基土體凍結(jié)層水源補(bǔ)給量，做到渠、路、溝的統(tǒng)籌規(guī)劃布置，降低渠床基土含水量，確保安全輸水。

2.5 強(qiáng)化渠道自身的抗凍脹能力

（1）對(duì)于采用混凝土等剛性防滲層的渠道，由于防滲板存在彎矩、剪力和扭矩，為了避免渠道剛性防滲層應(yīng)力不均發(fā)生裂縫破壞，宜采用弧形渠底利用其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢確保剛性防滲層內(nèi)部受到的力以壓應(yīng)力為主，使其不易發(fā)生開裂破壞。采用弧形渠底的渠道，利用其弧形結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)移保障渠底基土具有較好的抗凍脹性能。（2）邊坡采用混凝土板+置換材料的剛性防滲襯砌結(jié)構(gòu)，渠底采用雷諾護(hù)墊填充礫石等非剛性透水材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，具備渠道邊坡防滲、防凍脹、渠底防沖、隔排水等功能作用。由于該種結(jié)構(gòu)，渠道底部適應(yīng)凍脹變形的能力強(qiáng)，對(duì)于季節(jié)性凍土地區(qū)的冬季輸水渠道非常適用。（3）對(duì)于梯形斷面的渠道，可以通過采用楔形混凝土防滲板，可以使渠道坡腳處的防滲層厚度大，提高其坡腳處的抗凍脹能力。在渠道中部采用加厚板，可以有效加強(qiáng)坡面1/3-1/2處的截面剛度，提高渠道自身的抗凍脹性能。

3 結(jié)束語

從灌區(qū)渠道實(shí)際運(yùn)行管理可以發(fā)現(xiàn)，凍脹是造成季節(jié)性凍土地區(qū)渠道襯砌防滲層發(fā)生破壞的主要原因。在渠道防滲和凍脹防治過程中，應(yīng)因地制宜，按照“適應(yīng)、削減凍脹”原則，從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)管理等方面進(jìn)行全方面考慮，優(yōu)選與工程實(shí)際相匹配的防凍脹技術(shù)措施，確保渠道安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]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(xué)院學(xué)報(bào)，2007（1）：178-182.

[2]馮廣志，周福國，季仁保.渠道防滲襯砌技術(shù)發(fā)展中的若干問題與建議[J].節(jié)水灌溉，2004（5）：1-4.

作者簡介：宋曲武（1972-），男，漢族，陜西渭南人，主要從事水利科技及水利工程管理工作。