灌区冬季输水渠道防冰和防冻胀措施分析

张宇峰

摘 要：灌区冬季输水渠道常由于冰害和冻胀破坏，造成渠系水利用效率低、渗漏损失多、渠堤稳定性差滑塌严重等问题，为提高渠道输水能力，强化渠道综合防冰害和抗冻胀能力，合理选用与工程实践相匹配的防冰和防冻胀措施，变得非常迫切。文章在对灌区输水渠道冻害类型及特征进行简单阐述后，从优化调度运行方案、隔水排水、隔温保温、优选适应冻胀变形材料等方面，对灌区冬季输水渠道常用的防冰和防冻胀技术措施进行了分析研究。

关键词：渠道；冬季输水；冰害；渗漏；冻胀破坏

中图分类号：TU99 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）20-0147-02

陕西省地处西北内陆腹地，冬季受冷高压气候控制，气温普遍较低，陕北地区甚至低于零下20 ℃以下，且持续时间普遍较长。输水渠道在寒冷冬季容易由于冰冻结冰问题，形成水内冰、浮冰和冰盖等造成冰堵、冰塞等问题，不仅会影响渠道的整体输水性能，同时还给输水建筑物带来较为严重的冰冻破坏[1]。另外，季节性冻土地区，渠道常采用的钢筋混凝土刚性防渗层容易出现冻胀破坏，形成冻胀裂缝导致渠道渗水、漏水，引起渠道渠系水利用系数降低，水损严重。

因此，针对灌区冬季输水渠道的运行特性，合理采取有效的防冰和防冻胀破坏的技术管理措施，增强渠道综合防护性能，提高渠道渠系水利用效率，确保其安全可靠、节能经济运行，具有非常重要的工程实践应用研究意义。

1 灌区输水渠道冻害的类型及特征

陕西绝大部分地区在冬季寒冷气候影响下，其气温普遍降低到0 ℃以下，负温环境下结冰、冻胀等将给混凝土刚性衬砌层带来破坏作用，即对渠道防渗层带来冻害。

1.1 冰冻破坏

对于冬季继续输水运行渠道而言，结冰会对渠道混凝土衬砌结构带来破坏，即工程中的冰冻破坏。在负温环境中输水运行，渠道中的水体会不断结冰，尤其是当渠道水面被完全封冻后，冰冻层也会随冰的积累而不断加厚，这样就会对渠道坡面的衬砌体产生较大的冰自重和膨胀压力，会引起混凝土衬砌体发生移位或压力变形。

另外，漂浮在水体表面的冰块或冰屑会不断积累形成冰盖，减少渠道有效过水断面，阻挡渠道水的正常流动，降低输水效率，严重时会由于水体表面全面封堵，形成冰坝，造成渠水出现漫溢等问题，给渠道带来溃渠等安全隐患。

1.2 冻融破坏

渠道混凝土防渗层内部存在的孔隙水由于冻融特性，会引起衬砌层发生破坏，即冻融破坏。渠道混凝土衬砌层其自身具有一定吸水性，且运行在常有水环境中，防渗材料中势必会存在一定水分[2]。材料中的水分在负温条件下，就会出现结冰体积膨胀，大约比原体积增大9%左右。这种孔隙水膨胀作用，一旦其应力超过渠道衬砌混凝土材料的强度时，就会导致防渗材料产生形变出现裂缝，尤其是经历多个负温循环后，材料吸水性更强，孔隙水膨胀破坏作用将会更严重，最终会引起渠道混凝土防渗衬砌材料出现表层剥落、冻酥等冻融破坏。

1.3 冻胀破坏

冬季负温环境中，渠基土会出现冻融、融沉等问题，而对渠道混凝土衬砌结构造成冻胀破坏。季节性冻土区的渠道，其在冬季负温条件下，渠基土中的水由于结冰而体积膨胀增大，当膨胀压力超过混凝土的耐压时，衬砌层就会发生隆起等破坏。渠道混凝土衬砌结构由于冻胀性能出现开裂、折断等问题。春季消融，导致渠基土体结构稳定性和强度大大降低，造成防渗衬砌混凝土发生破坏，严重时还可能引起这个衬砌结构体发生滑塌等事故，影响渠道的正常输水运行。

2 灌区冬季输水渠道防冰和防冻胀措施分析

冬季输水渠道发生冰冻、冻融和冻胀等破坏，主要取决于渠道建筑物结构形式、土质条件、负温环境和养护措施[3]。合理采取有效的防护措施，抑制、改善或消除某种因素，则可以大大减轻或防止渠道衬砌结构发生冻胀破坏，确保渠道具有较高的输水可靠性和经济效益。

2.1 合理确定冰害位置，优化调度运行方案

从大量理论研究和实践工作经验可知，冬季输水运行渠道，其冰情和冰害等主要发生在渠道干线、进水闸、压力前池等构建物部位，即灌区渠道工程中的“一线多点”冰害位置。对于渠道干线可能产生的冰害，在实际运行过程中建议按照输冰运行或结冰盖运行方式进行输水运行，这样可以降低结冰对干线衬砌混凝土的破坏；对于进水闸、压力前池等冰害部位，可以采取水力拉冰或机械排冰等措施，以减轻结冰程度，降低冰害破坏力。

渠道的岸冰应控制在40 cm以内，如果岸冰宽度接近40 cm或大于40 cm时，应及时采取加热、通气、排冰、打捞、机械松动等措施进行有效清除。应根据工程实际情况，在渠首和沿线等合适位置处，通过优化布设塘坝、排冰道等水工建筑物通过将冰凌存蓄、排除等措施，降低其在渠道内部的结冰程度，以避免出现冰堵、冰塞等问题。

2.2 优化渠道结构断面、换填置换边坡土体

合理选用渠道结构，对于渠道流量在3 m3/s及以下的小流量、小流速输水渠道，应优选采用输水效率较高、防冰冻性能较强的“U”型或矩形断面，可以利用渠道自身结构来有效提高其抗滑稳定性和抗应力破坏作用[4]。做到渠、路、沟的统筹规划布置，合理设计方案可以有效降低渠床基土含水量，以确保整个渠道输水具有较高安全可靠性。

应根据工程区季节性冻土特性，将渠道坡面土体进行置换处理，即：采用砂砾、戈壁石等具有较强非冻胀性能的材料，将渠道边坡板下存在冻胀破坏特性的土料进行置换处理，其置换厚度应以工程区最大冻土深度的2/3为宜。灌区渠道冬季过水运行时，渠道冻胀部位将会从下1/3部分向上转移，会出现明显增高现象，大致在渠道边坡板的中1/3部位处发生冻胀破坏。合理土体置换后，渠道边坡混凝土衬砌板下负温区土体虽会发生冻结，但由于置换后土体不具备冻胀性能，不会发生膨胀变形，相应渠道边坡衬砌板也就不会发生冻胀破坏。

2.3 隔温和保温防冻胀措施

在渠道建筑物设计过程中，可以将输水构建物深埋到工程区冻土层以下，以达到深挖、深埋的隔温、保温和防止渠基土发生冻胀破坏的效果。宜在渠道防渗混凝土衬砌层下设置保温层，如采用EPS聚苯乙烯膨胀泡沫板等防渗保温材料，一方面可以提高渠道综合防渗性能，另一方面可以通过保温层，降低渠基土的冻胀破坏性能。

据一些工程实践统计资料表明：渠道混凝土衬砌防渗层底部增加泡沫板后，整个渠系水的渗漏量仅为不加泡沫板膜衬砌的1/10左右，且渠道发生的冻胀量和冻胀破坏程度也可以降低70%，防渗抗冻胀保温效果较好，经济性较优越。

另外，可以在渠道两边适当增加种树绿化，通过根系组成的非冻胀性纤维层，一方面可以改善混凝土衬砌的基土性质，可以利用树根系组成网格状土层结构，增强渠道的结构稳定性，同时可以利用树木形成的“植物-空气-水”循环，改善渠道运行水环境的微气候循环，达到有效的保温和防冻胀效果。

2.4 合理选用工程材料，提高工程防冻胀效果

在《渠道防渗工程技术规范》（SL18-2004，GB/T50600

-2010）中，明确规定了不同材料防渗渠道的允许冻胀量（砌石为1.0～3.0 cm；混凝土为0.5～2.0 cm；沥青混凝土为3.0～5.0 cm），通过合理选用适应的防渗材料可以确保渠道工程具有较好的冻胀性能。

另外，还可以通过渠基土夯实、防渗层下设置深浅两层封闭层、土体置换、植树固堤等工程过水，通过加固、拦截等措施，阻断冻结层水源补给，隔热保温提高渠道综合防冻胀性能。

2.5 合理使用化学添加剂，增强渠道防冻胀性能

通过在土壤中合理使用化学材料，来改善土壤的物理化学性能，达到增强土体密实度降低渠道渠系渗漏量；增加基土抗破坏变形能力，提高渠道结构稳定性，如：土壤防渗剂、光固添加剂、土壤固化剂、盐碱土改良剂等，有效阻止渠系水通过基土渗漏，增强基土强度，增强其抵御冻胀破坏的能力，改良土壤物理化学性状，达到防止冻胀破坏的目的。

3 结 语

北方灌区冬季输水渠道发生冰害和冻胀，是必然的自然气象。为了有效提高渠道的综合防渗和抗冻胀性能，结合工程实际，合理选择技术优越、经济合理的方案显得尤为重要。要准确掌握渠道基土冻胀特性参数，按照“适应、削减冻胀”原则，因地制宜选择合适渠道结构和衬砌方式，并加强渠道冬季运行的巡视管理力度，合理选择土壤改良化学添加剂等技术措施，有效减轻或防止渠道冻胀破坏，将渠道冻胀破坏有效控制在防渗材料允许范围内，提高渠道综合防冰和防冻胀性能，延长防渗结构综合使用寿命。

参考文献：

[1] 宋玲，余书超.寒区冬季输水渠衬砌的冻胀破坏及防治措施研究[J].中 国农村水利水电，2009，（6）.

[2] 陈爱侠.陕西省水资源利用效率及其影响因素分析[J].西北林学院学 报，2007，（1）.

[3] 杨利红，崇岩峰.浅议渠道防冻胀处理方法[J].海河水利，2013，（3）.

[4] 冯广志，周福国，季仁保.渠道防渗衬砌技术发展中的若干问题与建议 [J].节水灌溉，2004，（5）.