寒區(qū)襯砌渠道防滲防凍脹技術

摘 要：在我國北方寒區(qū)，凍害是襯砌防滲渠道面臨的難題之一，其中凍脹破壞最為嚴重，分布比較廣泛且對輸水工程的危害程度較大，因此，研究渠道凍脹的破壞機理和防治措施，是亟待解決的重要工程技術問題。文章著重介紹了在我國西北寒區(qū)襯砌渠道應用防滲防凍脹技術的重要意義，渠道產生凍害的原因及凍脹機理，渠道防凍脹工程技術措施，希望能為讀者提供啟示和幫助。

關鍵詞：寒區(qū)；凍害；凍脹破壞；防滲；防凍脹

隨著人口增長，社會經濟快速發(fā)展，新疆水資源供給越發(fā)緊張，合理利用和優(yōu)化配置有限水資源的要求也越來越迫切。新疆農業(yè)用水的比重達90%以上，大力發(fā)展節(jié)水高效農業(yè)降低農業(yè)用水比重，需要積極研究推廣渠道防滲、灌區(qū)改造等各種節(jié)水技術。

新疆地區(qū)目前各類的輸水渠道總里程數大約為32.6萬公里，但其中采取防滲措施的渠道只有11.8萬公里，只占到了渠道總里程數的36.2%，由此可以看出，渠道防滲節(jié)水潛力巨大。灌溉渠道在輸水過程中會有一部分水量滲漏到渠基土中，不僅造成嚴重的水量損失，而且致使地下水位抬高，加重灌區(qū)土壤鹽堿化，同時導致渠道襯砌體發(fā)生凍害、變形、侵蝕等一系列問題。根據有關資料，土渠在行水期間會有40%～70%的水量被滲漏掉。于是，渠道防滲工程技術應運而生，它適用于所有的灌溉渠道[1]。渠道防滲襯砌后渠系水的利用率達80%以上，一般畝均節(jié)水可達80～200m3。

在北方寒區(qū)，凍害是襯砌防滲渠道面臨的難題之一。由于我國季節(jié)性凍土區(qū)分布較廣，約占國土面積的一半以上，北方大部分地區(qū)的土層會出現冬季凍結春季融化的現象[2]，新疆地區(qū)的凍結期在每年的十一月份左右開始，凍融作用一直持續(xù)到翌年的三月底左右，歷時五個月左右。在此期間，襯砌的防滲渠道由于凍脹、消融作用，以及剛性襯砌體自身質量輕、抗拉強度低、適應拉伸變形或不均勻沉陷能力差而引起的破壞最為突出[3]。冬季時期，沒有采取抗凍脹措施的渠道往往會出現不同程度的凍害現象，加之時斷時續(xù)通水的影響，使凍害呈加劇發(fā)展狀態(tài)，給渠道“雪上加霜”。凍害不僅影響了工程的正常運行，增加了工程管理維護的難度和費用，也影響了防滲效果，有的甚至完全喪失了防滲的作用，造成大量水資源的嚴重浪費。

1 渠道產生凍害的原因及凍脹機理

凍脹是指含有一定量水的土體在負溫作用下發(fā)生凍結時，土中水可能會向土體溫度較冷的方向移動（即水分發(fā)生遷移現象），引起土體空隙中所含冰的積累，當冰的積累量超出土體內空隙所能容納的能力時，土體體積發(fā)生的膨脹現象[4]。因此，凍脹的發(fā)生必須同時具備三個條件：較低的溫度、水分和具有凍脹敏感性的土質。在凍脹過程中三個條件相互制約、相互影響。

在寒區(qū)，冬季氣溫都要降低到零攝氏度以下，負溫對于襯砌防滲渠道產生凍脹破壞、凍融破壞和冰凍破壞三種類型的凍害。凍脹破壞是指渠基土凍脹和融沉對襯砌結構的破壞，冰凍破壞是指冬季輸水渠道水體結冰對襯砌結構的破壞，凍融破壞是渠道襯砌材料內部孔隙水的凍融導致襯砌板的破壞。

研究表明渠道發(fā)生凍害的基本條件是負溫、土質和水分，負溫是基土發(fā)生凍害的外因，土質和水分是基土發(fā)生凍害的內因。同時搞清楚渠道襯砌體凍脹破壞的機理，更能針對性的提出防治措施。

2 渠道防凍脹技術措施

凍脹破壞的三個基本條件中，只有三個條件同時具備，襯砌渠道才發(fā)生凍脹破壞，因此，只要控制其中一個條件就能防止和減輕凍脹危害。從寒區(qū)常規(guī)的氣候條件來看，外部溫度不達到負溫是不可能的，因此需要采取保溫措施使內部不達到負溫；防凍脹處理常用的方法是切斷凍土地基在凍結前、后的水分補給，改變渠基土體的基本結構也是保證土體非凍脹性的一種方法[5]。

2.1 改善渠基土質

一般在工程施工中，常利用換土法、壓實法、化學灌漿處理法和土工加筋法等來改善渠基土質。換土法是利用砂、石等不凍脹性的土體換填原渠基中一定范圍內的細顆粒土體，換土法的換填工程量大，換填層厚度一般不小于土體凍脹深度，適用于地下水位在土體凍深線以下、土體含水量和凍脹量均較大的渠道。壓實是利用壓碾工具對粘性土質進行強夯或壓實，使土壤顆粒重新排列組合，降低土體的孔隙率和透水性、抗?jié)B性和隔溫性能，有效阻礙土中水分的遷移，削減土體的凍脹能力。化學灌漿處理法是使用灌漿設備將化學材料注入地層中，使渠基土體固結，阻塞土壤毛細管管路，使水分難以發(fā)生遷移，工程造價高、施工復雜。土工加筋法：在土中鋪設拉筋，以達到改善整個土工系統(tǒng)力學性能的目的的一種土工加固方法。當基土發(fā)生凍脹時，加筋材料就會隨之發(fā)生拉伸變形，其自身的抵抗能力會約束土體的凍脹變形。

2.2 改善水分條件

通過采用“上防”和“下離”的方式，使渠基土體內的含水量和地下水位能夠降低。“上防”，就是采用如土工膜料、砌石、混凝土或是瀝青混凝土等防滲材料，以達到能阻斷渠基土地下水源對凍結區(qū)的水分補給、降低基土的含水量和地下水水位的工程目的；“下離”就是將渠床凍結層中的重力水亦或是渠道周圍的滲水，排泄出渠體[6]。

2.3 改善溫度條件

在渠道施工過程中，可以在渠道襯砌體下選擇鋪設一些具有隔熱保溫性能的材料，使土體溫度能夠保持在一個較高的數值范圍內，土體不致受凍。對防止渠道發(fā)生凍脹破壞，這是一項很有效的工程技術處理措施。可在渠道基土中適當鋪設一些具有隔熱保溫性能的材料，如爐渣、石蠟渣、泡沫水泥、玻璃纖維、膨脹珍珠巖保溫板或是聚苯乙烯保溫板等。

3 結束語

隨著國家對大型中型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造投資的增加，新疆地區(qū)在渠道防滲抗凍技術及其工程應用方面，取得了長足的進步，特別是在渠道防滲防凍脹新材料的研制與開發(fā)，比如膨潤土防水毯、雷諾護墊、改性瀝青混凝土、改性PP纖維混凝土等新材料新技術在實際工程中的使用取得了很好的效果。另外，作為設計方應充分調查、弄清渠道所在地的自然條件、渠道施工和運行條件以及當地土質凍脹變形的情況，因地制宜、按照相關工程防滲抗凍脹設計規(guī)范要求所提供的依據進行設計。

參考文獻

[1]周維博，李立新，何武權，等.我國渠道防滲技術研究與進展[J].水利水電科技進展，2004，24（5）：60-63.

[2]申向東，張玉佩，王麗萍.混凝土預制板襯砌梯形斷面渠道的凍脹破壞受力分析[J].農業(yè)工程學報，2012，28（16）：80-85.

[3]劉文生.高地下水強透水渠段混凝土防滲渠道抗凍害處理[J].中國農村水利水電，1998（1）：31-31.

[4]盛煜，陳肖柏.飽和土在荷載作用下的一維凍脹模型[A].工程凍土學術交流會論文集[C].1993，24（5）.

[5]何武全，張紹強，吉曄，等.季節(jié)性凍土地區(qū)渠道防滲防凍脹技術與應用模式[J].節(jié)水灌溉，2012，11：67-70.

[6]孫 .論寒冷地區(qū)混凝土襯砌渠道的凍脹破壞與防治[J].水利科技與經濟，2011，6：19-20.

[7]楊振北.淺議渠道防凍脹處理方法[J].農業(yè)科技與信息，2007，16：48-50.

[8]張晨笛，何武全，張希棟，等.季節(jié)性凍土地區(qū)渠道防滲防凍脹新材料及應用[J].水資源與水工程學報，2011，5：145-148.

作者簡介：湯波（1980-）男，漢族，工程師，從事水利工程設計。