淺談灌區冬季輸水渠道防冰和防凍脹措施

張秀萍

（永昌縣水務局二壩水管所，甘肅金昌 737200）

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。