防滲渠道抗凍脹措施探析

韓良凱

(丹東市水利勘測設計研究院，遼寧 丹東 118000)

鐵甲灌區位于東港市濱海平原地區，北靠群山，南沿鴨綠江濱黃海，東起柳林河與市郊區分界，西止龍態河。全灌區呈長方形，南北寬約7km，東西長約40km，地形東北高、西南低。總灌溉面積2.45萬hm2，實際灌溉面積2.23萬hm2。是東港市主要水稻產區。鐵甲總干全長35.54km，4條分干全長23.8km。聯結1座中型和6座小型水庫，5座提水站；支渠89條全長137.6km，聯結中小型提水站40座。現有各級渠道均為土渠梯形斷面，土質南部多為黏土，中北部為砂土或沙壤土。

鐵甲灌區屬于溫帶，冬季月平均溫度零下10°-15°左右，在低溫影響下，防滲渠道會受到凍脹破壞。防滲渠道凍脹破壞會影響工程項目的正常運行，降低渠系水利用系數，影響渠道防滲效果，同時也會提高工程運行管理及維修的費用，造成水資源的浪費，使本地區糧食產量和群眾財產遭受損失[1]。

1 渠道凍脹破壞的原因

防滲渠道的抗凍防治，是渠道襯砌工程常遇到的難題。應以工程所在地區實際情況為基準，采取相應的防治措施，減輕或避免凍脹破壞，提高渠道的運行效率，延長其使用壽命，節約運行管理費用，推動我國的農業現代化建設。本次以東港鐵甲灌區為例，對襯砌渠道凍脹破壞的原因，從以下幾個方面進行分析。

1.1 氣候特征

東港市屬北溫帶濕潤地區大陸性季風氣候。受黃海影響，具有海洋性氣候特點。冬無嚴寒，夏無酷暑，四季分明，雨熱同季。正常年景年平均氣溫8.4°，無霜期182d，結凍期147d，降雨量888mm，日照時數2484.3h。東港是一個水資源比較豐富的地區，年平均降水900-1000mm，鴨綠江和大洋河兩大水系干流穿過市境，客水平均年約320多億m3，其它主要河流源出境內北部山區，為季節性直接入海河流。東港市水資源主要由3部分組成：①區域地表水資源即東港市版圖面積產生的地表徑流；②區域地下水資源；③過境客水資源。形成了渠道基土產生凍脹的氣候條件[2]。

1.2 土質特點

區域內出露地層有混合巖、混合花崗巖和花崗巖，元古界遼河群的黑云斜長片麻巖類。本項目區為沿海平原地區，土質為海相沉積灰黑色的淤泥和粉質黏土，粉質黏土層以下為粉細砂。

根據勘察資料，工程所在地以細顆粒的粉質黏土為主，滲透系數為10-4cm/s量級。粉質黏土(粒徑<0.075mm)含量占總重量的50%以上；凍結前地下水埋深在0.5-1.0m左右，根據黏土凍深與凍脹量關系曲線表可知，地表凍脹量為5-12cm。灌區地基土凍脹級別達到Ⅲ級，屬于凍脹性土質。

1.3 地下水特點

區域內地表水很豐富，有天然河道、灌溉所挖的溝渠以及一些小型水庫，其中比較大的有鐵甲灌區總干、鐵甲灌區支渠及七股頂水庫等。

地下水主要為存在于松散巖類、砂卵石中的孔隙水以及低山丘陵區的基巖裂隙水。灌區地下水埋深在0.5m-1m左右，灌區內黏性土土壤含水率較高，根據試驗得出，在地下水埋深在0.5m以下時，土壤含水率為23%左右， 該數值大于土壤起始凍脹含水率12.7%。由于地下水位較高，土體凍結鋒面在地下水的補給下，形成的冰晶體量越來越大。為土壤產生凍脹破壞提供了水分條件。

1.4 渠道設計缺陷。

襯砌渠道混凝土底板沒有設置貫通縱縫，在水平凍脹力作用下，致使兩側邊坡向渠道底板擠壓，底板中間有向上的壓力產生，從而造成混凝土底板在凍脹力作用下斷裂或者產生裂縫。渠道在新建或改造時，受到現場地形或占地的影響，襯砌渠道基礎過低。灌區地下水位較高，渠底有充足的水分，在冬季氣溫降至負溫時，襯砌渠道混凝土底板將發生凍脹破壞。

1.5 渠道施工缺陷。

1)渠道的壓實度不夠。由于部分渠道壓實度不滿足設計要求，土體的壓實度較低，地下水位可以通過孔隙上升，增大渠道粉質黏土含水量，冬季地下水在溫度降到零下后凍結成冰。渠道基床粉質黏土整體膨脹，產生較大的凍脹力，破壞混凝土襯砌渠道。

2)土工膜拼接處黏結不牢或出現裂縫。現有施工中，為了加快施工進度，土工膜拼接通常采用膠黏法，土工膜連接很少采用熱烙焊法。同時在土工膜施工過程中，土工膜容易被樹根、塊石等刺破或者損壞，造成滲漏通道。對襯砌渠道產生凍脹破壞。

3)砂墊層中粉土、黏土含量較高。通常在黏土、粉土渠床中，襯砌渠道混凝土板下設置砂墊層進行換填。由于砂墊層中混入粉土、黏土含量較高，當地下水位較高，砂墊層在低溫飽和凍結時，將會對混凝土底板產生凍脹破壞。

2 渠道襯砌工程凍脹防治措施

2.1 改變渠線

在規劃設計中應對渠道岸線選擇進行合理布置，在渠道選線時，要結合地質條件，盡量選在粗粒土層，地下水位低的地段；同時要對低洼地段，地下水位高的地段進行填方，形成填方渠道，抬高渠底高程，降低地下水位。

2.2 采取結構抗凍措施

通過改變結構設計提高抗凍性，當前應用較多的形式有U形、矩形或梯形斷面。U形襯砌渠道斷面形式：底部呈弧形或半圓形、槽身采用向外側傾斜一定角度的直線段，U形渠道與梯形斷面相比，具有防滲效果好，流速快，渠道挾水挾沙能力強，淤積少。由于U形渠底為反拱型，對凍脹作用有較強的抵抗力，減少裂縫及凍脹后的不均勻沉降。U形防滲渠道具有良好的防滲性，抗凍性，占地面積小，挖填方土方量少，施工速度快，工作效率高。

2.3 采用保溫措施抗凍脹

對渠道兩側邊坡及渠底混凝土板下設置聚苯乙烯泡沫塑料板。聚苯乙烯泡沫塑料板作為襯砌渠道保溫材料，它具有穩定的化學性能，不易被地基土降解；吸水性、導熱系數及滲透系數小、結構均勻、密度小、壓縮強度大、施工、運輸方便。在工程設計中，應結合土質、地下水埋深、渠道走向、設計凍深、荷載等來確定保溫材料主要技術指標，并結合灌區已有的抗凍脹試驗資料和經驗確定其鋪設的厚度等尺寸。從近幾年工程設計中可知，大的干渠一般在渠坡陰坡約1/2坡長以下采用8-10cm厚聚苯乙烯保溫板、1/2坡長以上6-8cm；陽坡約1/2坡長以下6-8cm、1/2坡長以上4-6cm；齒墻兩側保溫板厚度均與坡面下部相同，封頂板下與坡面上部相同。根據已實施的鐵甲5支渠道襯砌工程可知，采用鋪設聚苯乙烯保溫板作為防凍脹措施。可以滿足襯砌渠道的抗凍要求。而未采取保溫措施處理的襯砌渠道發生了很大的凍脹變形，而且在渠道基土消融后，不能完全復位，甚至存在較大的殘余變形。經過幾個凍融周期，凍脹和融沉交替，均會產生不同程度的塌陷、滑坡現象。保溫用聚苯乙烯泡沫塑料板物理機械性能表，見表1。

表1 保溫用聚苯乙烯泡沫塑料板物理機械性能表

3 結 語

由于渠道凍脹破壞條件及影響因素較多，為了能夠減小或避免凍脹破壞的產生，需要充分了解該地區基本情況，真正實現在提高渠道防滲能力的同時，采取的抗凍措施真實可行。通過智慧水利在灌區項目上的應用，增強渠道工程管理和維護，逐步完善運行管理制度，提高渠道抗凍能力，延長其使用年限，提高灌溉水利用率，為農業綜合生產能力提供可靠的技術支撐。促進灌區社會經濟的發展和生態環境的改善，保障灌區工、農業生產和國民經濟的可持續發展。