季节性冻土地区衬砌渠道冻胀及防治措施

改 善 渠 基 土 的 湿 度 场 ， 就 是 采 用 砌 石 、土 工 膜 料 、沥 青 混 凝 土 、混 凝 土 等 防 渗 材 料 ， 阻 断 渠 基 土 的 水 分 补 给 ， 使 其 含 水 率维持较低的水平， 保证土壤在冬季来临时含水率小于起始 冻 胀 含 水 率 ， 使 渠 道 不 发 生 冻 胀 。其 中 ， 防 渗 膜 料 除 具 有 良 好
１ 渠道冻胀破坏的主要形式和机理
衬 砌 渠 道 冻 胀 是 随 温 度 的 变 化 ， 由 表 及 里 、由 浅 入 深 的 过程。当气温降到结冰点以下时， 首先在衬砌板和土层接触 面间的孔隙中产生冰晶体， 在毛细力作用下， 土体中的水分 向 冰 晶 体 迁 移 ， 使 冰 晶 体 越 来 越 大 。温 度 继 续 降 低 ， 在 渠 基 土 孔隙中也产生了冰晶体， 同样在毛细力作用下， 更深部位土 体中的水分向上部迁移， 并在上部土体中冰逐渐增大， 使土 体 冻 胀 更 大 ， 并 形 成 冻 土 层 ， 土 体 体 积 膨 胀 表 面 隆 起 。随 气 温 的再降低， 冻土层的深度逐渐加大， 因冰冻而产生的冻胀力 顶裂或顶起衬砌板而发生冻胀破坏。实际工程调查发现，衬 砌 渠 道 破 坏 的 主 要 形 式 有 冻 胀 剥 蚀 、冻 胀 裂 缝 、冻 融 坍 塌 和 冰冻破坏等。
展研究的若干问题。
关键词：渠道防渗；渠道冻胀；渠道衬砌；防冻胀措施
中图分类号：ＴＶ６９８
文献标识码：Ｂ
我国幅员辽阔， 但水资源缺乏， 而农业用水占总用水量 的 ７３％， 因 此 ， 要 节 约 用 水 ， 必 须 从 农 业 用 水 抓 起 。 但 是 目 前 ， 占 农 业 用 水 ９０％的 灌 溉 用 水 ， 由 于 渠 道 输 水 损 失 严 重 ， 渠 系 水 利 用 系 数 很 低 ， 几 乎 有 ５０％被 浪 费 掉 了 ； 以 山 西 省 为 例 ， 全 省 每 年 从 渠 道 渗 漏 掉 的 水 量 约 为 ２０ 亿 ｍ３。所 以 ， 建 好 渠道防渗工程， 堵住这个浪费水的大洞， 提高渠系水利用率， 是 实 现 节 水 型 农 业 的 重 要 措 施 。 我 国 从 上 世 纪 ６０ 年 代 开 始 渠 道 防 渗 并 形 成 规 模 ， 其 主 要 形 式 有 塑 膜 、混 凝 土 预 制 板 或 现 浇 板 、浆 砌 石 等 ， 但 在 北 方 季 节 性 冻 土 地 区 ， 这 些 防 渗 工 程 均存在不同程度的冻胀破坏问题， 不仅直接影响渠道的正常 使 用 ， 浪 费 了 水 资 源，而 且 增 加 了 修 复 次 数 和 工 程 费 用 。如 何 防治衬砌渠道的冻胀破坏成为一个非常突出的工程问题。
渠 道 走 向 不 同 ， 使 各 断 面 的 日 照 、风 速 和 温 度 状 况 有 很 大差别。据西北水科所的研究， 南北走向的渠道阴阳两坡条 件相似， 冻结规律大致相同， 但由于坡顶为二向冻结， 受风的 作用比较大， 含水量亦较小， 表现为渠坡上部冻深最大， 坡底 最 小 ， 阴 坡 冻 深 也 大 于 阳 坡 约 １０％￣２０％； 东 西 走 向 的 渠 道 由 于受到日照的影响， 阴阳坡的冻结和冻深差别明显， 阴坡开 始冻结日期比阳坡早， 其上部冻深最大， 阳坡坡底冻深最小。
２ 渠道冻胀防治措施
根据渠道衬砌的冻胀破坏的原因分析， 渠道衬砌的冻胀 防治应从以下几个方面入手： ２．１ 合理的渠系规划
灌 区 的 渠 系 规 划 ， 应 针 对 当 地 不 同 的 土 质 、水 文 地 质 条 件和灌溉用水要求， 在规划中尽量采用渠道的高线方案， 尽 可 能 避 开 黏 、粉 质 土 壤 和 高 地 下 水 位 地 段 ， 将 渠 底 高 程 控 制 在地下毛细管水补给高度以上， 在有坡面渗水和地面回归水 入 渠 的 渠 段 ， 尽 量 做 到 渠 、路 、沟 相 结 合 ， 或 设 专 门 排 水 设 施 ， 主干渠道的走向也尽量以南北向为宜。 ２．２ 改善渠基土的冻胀性 ２．２．１ 保温防渗措施
第 ２ 期（ 总第 １６０ 期） ２００６ 年 ５ 月
１００６－ ８１３９（ ２００６） ０２－ ３４－ ０３
山西水利科技 ＳＨＡＮＸＩ ＨＹＤＲＯＴＥＣＨＮＩＣＳ
Ｎｏ．２ （ Ｔｏｔａｌ Ｎ０．１６０） Ｍａｙ．２００６
季节性冻土地区衬砌渠道冻胀及防治措施
张 茹 １，２
（ １． 西 北 农 林 科 技 大 学 水 利 与 建 筑 工 程 学 院 ， 杨 凌 ７１２１００； ２．山 西 水 利 职 业 技 术 学 院 ， 运 城 ０４４０００）
中， 其内部总是含有一定的水分， 在低温下结成冰， 体积会发 生膨胀， 当这种作用引起的应力超过材料强度时， 就会使衬 砌体表面产生一定数量的小裂缝， 再经过数次的周期性冻融 循环， 衬砌裂缝的扩展增强了渗漏， 加快了基土的冻胀及衬 砌的冻胀破坏， 加剧水分进入衬砌体内部， 从而使衬砌体产 生剥蚀， 加之水中的泥沙和酸碱对其产生冲蚀腐蚀等， 在这
渠道冻胀是很复杂的问题 涉及多方面的因素， 可以从 以下几个方面来分析： １．１ 渠基土的冻胀性能
首 先 ， 在 土 壤 含 水 率 、温 度 以 及 其 他 周 围 环 境 条 件 相 同 的情况下， 不同的土质在冻结过程中水分的迁移量是不同 的； 黏土， 特别是极细碎的黏土， 仅有轻微的水分和冰晶体析 出， 具有一定的冻胀性； 而粉质黏土中水分和冰晶体的析出
地下水位的埋深对渠道的冻胀有重要的影响， 其埋深越 浅 ， 则 其 对 渠 道 的 影 响 越 大 。《渠 系 工 程 抗 冻 胀 设 计 规 范》 （ ＳＬ２３－ ９１） 提 出 了 地 下 水 对 冻 胀 无 显 著 影 响 的 临 界 深 度 。 另 外， 甘肃水科所和西北水科所也对此进行了研究。以上结论 所给出的值见表 １。
摘 要： 渠道冻胀及其防治问题是我国北方灌区渠道工程中的一个重要问题，文中从渠
基土的冻胀性能、地下水位的埋深、渠道衬砌材料和结构及渠道走向等四个方面，较深入
地分析了产生渠道冻胀破坏的机理，总结了各地近年来渠道冻胀的研究成果，提出了渠道
冻胀防治的各种措施，对渠道防渗防冻胀工程建设具有参考价值，并指出今后应进一步开
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非常强烈， 会产生很强的冻胀变形； 砾石土一般不产生冻胀 变 形 。根 据 新 疆 水 科 所 的 试 验 ， 不 同 土 类 的 冻 胀 量 顺 序 为 ： 粉 质 黏 土 ＞壤 土 ＞砂 壤 土 ＞重 黏 土 ＞砂 砾 土 ， 粒 径 从 ０．０５ ｍｍ￣ ０．００２ ｍｍ 的 颗 粒 含 量 大 于 ６０％时 最 具 冻 胀 危 险 。其 次 ， 渠 基 土中的水分多少是引起冻胀强弱的基本因素， 土壤发生冻胀 的 起 始 含 水 率 为 ０．７ωｐ￣０．９ ω（ｐ 土 的 塑 限） ， 渠 基 土 含 水 率 大 ， 冻胀量就大， 含水率小， 冻胀量就小， 当渠基土含水率小于起 始 含 水 率 时 ， 不 发 生 冻 胀 。第 三 ， 土 壤 中 盐 分 的 含 量 对 土 壤 冻 胀变形的影响也十分明显， 盐渍土冻胀量小于非盐渍土， 而 盐渍土中， 随含盐量的增大， 盐渍土冻胀量将有所减小。此 外， 据黑龙江水科所的试验， 土的冻胀性还与其干密度有关， 当土的饱和度一定时， 土的冻胀性随干密度增加而下降。 １．２ 地下水位的埋深
的不透水性外， 还具有良好的延展性和适应变形的能力， 可 适应渠道运行过程中的不均匀沉降和局部的变形破坏， 属柔 性的防渗材料。据黑龙江水利科学研究院的试验表明， 在土 工膜料防渗层上， 衬砌预制或现浇混凝土板及砌石等防渗 层， 即柔性防渗和刚性防护两种材料结合， 渗漏损失最小， 比 未 采 取 防 渗 措 施 的 渠 道 可 减 少 渗 漏 ９０％以 上 。 近 年 来 ， 国 内 外 还 应 用 由 二 氧 化 硅 及 活 性 铝 、铁 等 组 成 的 无 机 胶 结 固 化 土 材料， 改变土壤原有亲水性能， 使土壤在常温下得到固化， 增 强 土 壤 的 抗 压 强 度 和 抗 渗 透 能 力 ， 具 有 节 约 资 源 、快 捷 和 节 省投资的优点， 在宁夏银川沙质渠道防渗护坡等工程中试 用， 收到良好的预期效果； 但在寒冷地区， 让其作为表层防护 结构抗冻指标达不到要求， 不宜盲目推广。 ２．２．２ 基土换填处理
渠道的冻胀是在一定的温度和湿度下发生的， 若能改善 渠 基 土 的 温 度 和 湿 度 场 ， 采 取 保 温 、防 渗 的 措 施 ， 消 除 和 削 弱 冻胀发生的条件， 就可以避免或减轻冻害。
保温措施可以改善渠基土的温度场， 阻断其与外界的热 量交换， 根据工程所处的地区不同， 用导热系数低并具有一 定强度和耐久性的隔热材料， 铺设于衬砌层与渠基土之间， 一般渠道可全断面铺设， 冬季引水渠宜铺设在渠水位变化 区， 东西走向的渠道， 阳坡铺设的厚度可减薄， 冻胀量小的地 区 ， 阳 坡 可 不 铺 设 保 温 层 。保 温 材 料 有 炉 渣 、石 蜡 渣 、沥 青 草 、 泡 沫 水 泥 、蛭 石 粉 、玻 璃 纤 维 、水 泥 珍 珠 岩 等； 对 于 大 型 渠 道 ， 目前多采用聚苯乙烯泡沫板， 这种材料它的物理力学性能、抗 无 机 试 剂 性 能 、抗 有 机 试 剂 性 能 都 比 较 好 。据 内 蒙 古 研 究 结 果 表 明 ， 混 凝 土 衬 砌 渠 道 铺 设 聚 苯 乙 烯 泡 沫 板 ， 平 均 每 １ ｃｍ 厚 的保温板， 可提高基土温度阴坡为 １．３ ℃￣１．８ ℃， 阳坡为 ０．７ ℃ 左右； 可减 少 冻 深 值 为 ， 东 西 走 向 渠 道 阴 坡 为 ６．８ ｃｍ￣１１．３ ｃｍ， 阳 坡 为 ５．０ ｃｍ￣１１．７ ｃｍ， 南 北 走 向 的 渠 道 阴 坡 为 ９．５ ｃｍ￣ １０．４ ｃｍ， 阳坡为 ６．９ ｃｍ￣９．５ ｃｍ， 随 保 温 层 厚 度 的 增 加 冻 深 呈 线 性 减 小 。保 温 板 的 铺 设 厚 度 一 般 在 ３ ｃｍ￣１０ ｃｍ， 可 根 据 规 范标准选用。
表 １ 地下水对冻胀无显著影响的临界埋深／ｍ