淺談灌區冬季輸水渠道防冰和防凍脹措施

張秀萍

摘 要 在我國農作物種植過程中，為了解決灌溉問題普遍興建農田水利設施。然而在我國北方地區，冬季氣溫偏低會造成輸水渠道存在結冰問題，進而造成渠堤穩定性差、滲漏損失多，對農業生產造成不利影響，因此需要切實做好防冰和防凍脹措施。以甘肅省金昌市為例，從灌區輸水渠道凍害的類型和表現入手，討論輸水渠道防冰和防凍工作存在的問題，及灌區輸水渠道的防冰和防凍脹措施。

關鍵詞 輸水渠道;防凍脹;灌區;冬季;甘肅省金昌市

中圖分類號：S277;TV698.26 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.15.097

甘肅省地處我國西北內陸，冬季受西伯利亞蒙古高壓影響，氣溫偏低、霜期長，當地11月至次年3月均溫低于0 ℃，其中1月平均最低溫度為-14 ℃，致使該地區灌區輸水渠道出現結冰和冰凍問題。渠道內水面出現浮冰或水面與坡面接觸層結冰后造成冰塞情況，嚴重影響了輸水性能，甚至造成渠道內冰水混合物淤結導致某個或多個斷面整體堵塞，水流涌出渠體，對渠體外道路、農田、村莊等設施和人身財產安全造成嚴重破壞。此外，在凍土地區渠道的混凝土防水層也容易受到冰凍影響，出現滲水和漏水現象，最終導致渠道水利用效率降低。因此，新時期需要結合冬季輸水渠道的運行特點，采取防冰和防凍脹的保護措施，全面提升渠道水資源利用效率，使其更好地服務于農業生產。

1 灌區輸水渠道凍害的類型和表現

甘肅省金昌市冬季溫度低于0 ℃天氣較長，導致灌溉渠道出現較多的結冰和凍脹問題，具體表現在以下3個方面。

1.1 冰凍破壞

部分渠道在冬季輸水過程中，水面結冰情況較為普遍，特別是渠道水面和坡面接觸層被冰封之后，冰凍層會不斷加厚逐漸向水面中心合攏，導致水面升高，對渠道坡面的襯砌體產生巨大沖擊力，甚至造成混凝土襯砌體出現變形或者位移。此外，漂浮的水體表面冰塊不斷累積，導致渠道內流水流通不暢，降低了輸水效率，更嚴重的甚至會出現全面封堵情況而形成冰壩，隨之造成水體從渠道兩側溢出，造成更大的安全隱患[1]。

1.2 凍融破壞

受到凍融特性的影響，在渠道混凝土防滲層內部，孔隙水會導致襯砌層被破壞，由于渠道混凝土襯砌層具有吸水性特征，在長期的水環境下，防滲材料會存在一定水分，而材料在低溫環境下會結冰和體積膨脹。在孔隙水膨脹作用下，如果超出渠道襯砌混凝土材料強度，就會出現防滲材料變形和裂縫，在多次負溫循環影響下，材料的吸水性進一步加強，使得孔隙水膨脹，破壞性更加嚴重，隨之出現渠道混凝土襯砌材料凍融破壞。

1.3 凍脹破壞

在室外長期處于0 ℃下，渠基土會出現凍融、融沉等問題，會對渠道混凝土襯砌結構造成破壞，尤其是季節性凍土區的渠道，在長期低溫環境下，渠道基層土壤中含有的水分會結冰、體積膨脹，其膨脹壓力超出混凝土耐壓時，襯砌層會出現隆起破壞，甚至導致混凝土襯砌結構出現開裂、折斷。春季冰雪融化后，使得渠基土體結構的強度和穩定性大大下降，嚴重時會導致襯砌結構出現滑塌，對渠道輸水運行造成影響[2]。

2 輸水渠道防冰和防凍工作中存在的問題

2.1 安全監測工作不到位

為了保證輸水渠道的穩定性，降低冰凍災害造成的損失，需要切實做好監測工作，但部分地區在輸水渠道的安全監測方面未能達到檢測要求，主要是由于監測基礎設施不完善，加之主要采取人工記錄的方法，由此導致水位記錄、水滲漏情況、結冰數據的記錄不準確、不及時。此外，在防凍管理工作方面，信息化的建設較為緩慢，導致不能及時發現發生冰凍災害的地點，影響了處理時間和效率。

2.2 排冰措施不完善

金昌市11月至次年3月，低于0 ℃環境下容易出現渠道結冰，所以，必須切實做好排冰工作，但部分渠段依然在該環境下輸水，缺少攔冰和防冰措施，導致冰凍災害發生頻繁，出現閘門結冰情況，一些渠道和閘門排冰十分困難，進一步導致閘門開閉難度加大[3]。

3 冬季灌區輸水渠道的防冰和防凍脹措施

冬季輸水渠道出現凍融、冰凍、凍脹等破壞，主要與渠道和建筑物的結構、溫度、土質條件和養護措施存在關系，因此需要采取有效的防御措施消除其中不利因素，以降低或防止渠道襯砌結構出現破壞，進一步發揮出渠道的工程效益和經濟效益。

3.1 強化冰情的動態監測

在渠道工程建設過程中，做好動態監測能夠及時發現問題。1）要制定科學的規章制度，加強巡查力度，推動冰情監測工作的規范化開展，尤其是閘門渠道、干線容易出現冰凍災害的地段，更要加大監測力度。2）在監測結果方面做好記錄，與同期歷史數值對比，以此分析冰情發展態勢。3）為了提升渠道防冰凍工作質量，新時期可以利用自動化監測系統，如傳感技術的利用可以有效節約人力投入。4）水利等相關部門需要加強資金投入，推動信息化建設，尤其是重點渠道，更要加強對水位滲漏和變形等數據的采集，然后與歷史數據對比，進一步提升預測的準確性[4]。

3.2 優化輸水調度方案

新時期，保障渠道安全性還需要優化輸水調度方案，要求相關部門平衡好渠道水流量及結冰量的關系，在冰情時期控制輸水流量，冬季氣溫偏低時，通過提前停水，可以避免河道堵塞，當氣溫逐漸回升時重新放水。若必須在冬季低溫期輸水，要根據多年輸水經驗確定流量大小，同時盡量避免流量忽大忽小，保證流量穩定，坡面結冰位置基本不變，以避免結冰范圍擴大。

3.3 確定冰害位置

當前，冬季輸水運行渠道出現冰凍情況，主要集中在渠道干線分水口、電站進水閘及壓力前池，特殊年份冬季氣溫過低時，還會出現沿途坡面連續性結冰，整體體現出灌區渠道工程冰害位置的“一線多點”特征。對于渠道干線出現的冰害，在實際處理過程中，應做好以下3個方面的工作。1）考慮輸冰運行及結冰蓋運行方式，后期流量不可大于前期流量，以有效降低結冰情況，減少冰凍對干線襯砌混凝土造成的破壞。2）在壓力前池、河進水閘等部位，主要是利用水力拉冰或者機械排冰的方法，減少結冰情況，降低破壞力。3）根據各地區經驗，整體來講，渠道的岸冰不得高出40 cm，如果岸冰寬度達到或者超過40 cm，要利用人力疏導水力自身沖擊、打撈排冰、機械松動等方法清除，還要結合工程實際情況，在沿線選取合適位置，對排冰道合理布設，通過管理措施降低渠道內的結冰情況，減少出現冰塞冰堵[5]。

3.4 優化渠道結構斷面

在預防渠道冰害過程中，需要對渠道斷面合理設計，如果渠道流量不足3 m3·s-1的小流速輸水渠道，可以設置成為輸水效率偏高、防凍性能較好的U型或者矩形斷面，進而通過渠道結構的優勢，提升抗應力破壞作用和穩定性。通過合理布局渠道、排水溝能夠減少渠道基土中的含水量，提升渠道的輸水性能。具體應結合當地凍土的季節性特征，進行渠道坡面的土體置換。主要是利用戈壁石、砂礫等具有非凍脹性能的材料，替換渠道邊坡易凍脹破壞性能的材料，通常置換的厚度要達到最大凍土深度的2/3，灌區渠道冬季輸水時，渠道凍脹部位主要是從下方1/3處向上轉移并逐漸增高，達到渠道邊坡板1/3處就會出現凍脹破壞。通過土體置換，渠道邊坡混凝土襯砌板盡管會出現凍結，但是不具備凍脹的條件，隨之會減少膨脹變形的情況，會減少對渠道邊坡沉積板的破壞。

3.5 隔溫及保溫防凍脹措施

在設計渠道建筑物過程中，可以將疏水構建物埋入到凍土層以下，以達到深埋、深挖的目標，起到隔溫、保溫和預防土體凍脹的作用。具體來說，需要在渠道防滲混凝土襯砌層下部設置保溫層。參考相似地區經驗，用聚苯乙烯膨脹泡沫板（EPS）可以達到良好效果。設置保溫層主要價值在于提升防滲性能，同時減少渠基土的凍脹情況。據相關研究發現，渠道混凝土襯砌體發生凍脹，整個渠道的滲水量，在地層鋪設泡沫板之后要比不鋪設泡沫版提升90%，凍脹破壞程度出現的可能降低70%，整體體現出保溫效果好的特征。水管單位還可以在渠道兩側種植植被，通過根系防風固沙、涵養水源的作用，有效改善混凝土襯砌的土層性質，并利用根系的網絡狀增強土層穩定性，循環改善渠道運行水環境的微氣候循環[6]。

3.6 合理利用施工技術與材料

渠道工程建設中，施工單位要根據《渠道防滲工程技術規范》明確砂礫、混凝土、瀝青等不同材料的防滲渠道凍脹量，通過科學合理地利用防滲材料，以確保渠道工程具備良好的凍脹性能。在水渠修建的過程中，通過夯實基層土、設置封地層、進行主體置換和配合攔截加固等措施可以阻斷水體和凍結層的接觸。此外，在土壤中科學利用化學材料，可以改變土壤的物理和化學性能，提升土體的密實度，降低滲漏量，還可以提升基坑抵御破壞的能力，提升渠道的穩定性，如加入土壤防滲劑、土壤固化劑、光固添加劑和鹽堿土改良劑等，都可以達到良好效果。

4 結語

在北方的冬季灌溉區，輸水渠道的冰凍主要是由于氣候條件造成的不利影響，所以需要全面提升監測水平，優化輸水調度方案，合理利用施工技術與材料，進而全面提升冬季輸水渠道防冰和防凍脹能力，保障當地的農業經濟發展。

參考文獻：

[1] 李鳴.吐魯番市典型灌區輸水渠道冬季冰蓋多場耦合下力學響應特性分析研究[J].水利科技與經濟，2020，26（7）：1-6.

[2] 張宇峰.灌區冬季輸水渠道防冰和防凍脹措施分析[J].企業技術開發，2016，35（13）：147-148.

[3] 馬光明.灌區冬季輸水渠道防冰和防凍脹措施分析[J].農家科技，2019，15（8）：218.

[4] 王蕾.寒區灌區輸水渠道運行管理若干問題及對策[J].水利規劃與設計，2017，22（2）：82-83.

[5] 李綱，方忠鵬.青藏高原渠道（渡槽）冬季供水防凍保溫的可行性分析[J].水利技術監督，2019，23（6）：73-79.

[6] 哈斯也提·依米提.水量調度在長距離輸水渠道運行中的重要性[J].河南水利與南水北調，2020，49（5）：68-69.

（責任編輯：劉 昀）