興電工程干渠凍脹原因及防治措施

楊志平

（甘肅省白銀市興電工程管理局，甘肅平川 730916）

興電工程干渠凍脹原因及防治措施

楊志平

（甘肅省白銀市興電工程管理局，甘肅平川 730916）

通過對興電灌區干渠凍脹調查，分析凍脹原因并對凍脹渠進行分類，從而制定凍脹渠的維修、管護計劃和防治措施。達到渠道安全運行的目的。

渠道；凍脹；防治

一、工程概述

興電灌區位于甘肅省靖遠縣、平川區與寧夏回族自治區海源縣、沙坡頭區四縣區接壤地帶，是甘肅省中部大型高揚程灌區之一。灌區年平均降水量200 mm，蒸發量2 390 mm。工程建于1976年，1984年10月通水，建有泵站9座，總揚程477 m，總裝機容量8.64萬kw，設計流量9.6m3/s、灌溉面積30.18萬畝、提水量1.2億m3。工程建成運行后，解決了甘肅和寧夏10個鄉鎮18.3萬人畜飲水困難問題，極大的改善了灌區群眾的生產和生活條件。

二、凍脹的嚴重性與危害性

興電灌區屬于北方灌區，渠道因基本反復凍融，凍脹，隆起沉降，造成襯砌板開裂，拉縫錯位，滑坡坍塌，影響渠坡穩定，縮短了防滲襯砌的使用壽命，造成防滲板裂縫，尤其是總干渠和東干渠走向為東西走向，且在山的陰坡面，凍脹尤為厲害，通常把上述結果稱為凍害。它主要危害有：

（一）從表面看

造成的渠道襯砌，膨脹，隆起，沉降，產生裂縫，滑坡，坍塌，通水時滲漏，濕陷決口。

（二）對灌區的灌溉運行帶來不良的后果

造成渠道跑、冒、滲、漏的重要原因，致使渠水利用率下降，造成浪費。

（三）短了渠道的使用壽命

由于凍脹破壞，還需要大量的人力，物力和資金來進行維修，不僅增加了開支，提高了成本，還會影響正常灌水秩序。

（四）由于凍脹造成渠道的決口

影響周邊群眾，房屋，淹沒農田等，還會造成一些間接重大損失。

三、凍脹原因及與造成渠道凍脹的主要因素

（一）凍脹原因

興電灌區屬于北方灌區，冬季最低氣溫-29.50℃,土壤封凍期長達180天。隨著冬季的來臨氣溫下降，地基土中的水分在氣溫降到0℃以下是被凍結，水結冰時體積膨脹，約增加原水體積的9.07%，因此一般情況下土凍結時將產生膨脹，這就形成了土的凍脹。土在凍結過程中不僅原位置的水凍結成冰，而且在凍脹過程中，會產生水分遷移。水分將從未凍區向凍結高峰面遷移，并凍結成冰，這種現象稱為水分遷移。由于水分遷移就使土的凍脹更加劇烈，隨著冬季氣溫下降，與此同時產生凍脹力，當襯砌混凝土預制塊自重力，不能抵抗次應力時，或現澆渠整體自重力，不能抵抗此應力時，就產生裂縫，鼓起，或者整垮現澆渠被抬起。這是基土上部的水分已經消融，但下部仍為凍結層，因此水分不能及時下滲，致使基土含水量增大，抗剪強度降低，在超過極限時，在土層中形成滑動面，再加上混凝土塊本身自重，因此混凝土向下滑動、擠壓，有的甚至溜向渠底，渠底也膨脹，裂開，現澆渠整垮上升，伸縮縫裂開等，導致襯砌渠道全面破壞。

（二）土的因素

由于土顆粒的大小不同土體吸引水分的能力也不同，土的顆粒級配也極大影響土的含水性能，在一定程度上控制土中水分的運動，吸引水分強的土質凍脹性就強，興電灌溉區渠道一般為粘土，粘砂土，屬于凍脹類型土，若是砂礫基礎，由于顆粒粗，凍脹時一般不產生水分遷移，水分只能在原處凍結或者在重力作用向下移動，凍結時反而出現上部含水量減少，下部含水量增加情況，凍結時水能自由排出，不具凍脹性。這為選用材料夯筑渠道基礎有重大指導意義。

（三）水的因素

我們知道，純凈的水在0℃開始結冰，而土的起始凍結溫度，與土的含水量，土中含鹽量等都有關，實驗表明，水在凍結時，體積將增大9.07%。興電灌區最大凍結深度1.2米。部分渠道由于滲漏較大。土的含水量較大一般為30%左右。假若體積只增高不增寬。那么1.2米厚基土在凍結時脹起高度為1.2×100×30%×9%=3.24(cm），這就是說含水量較大土凍結后凍脹量達到幾厘米。由于體積增大，將對渠道襯砌表面產生很大的頂托力。這種頂托力可以達到數百甚至千千帕，超過渠道材料的抗剪強度，從而使渠道襯砌表面產生裂縫。加上渠道表面的水沿裂縫下滲，進一步加劇裂縫的發展，地下水地面以下50多米，土壤含水量極少，土基含水量主要是渠道滲漏，致使渠道土基的含水量增大。觀測資料表明，興電干渠渠道基土的起始凍脹含水量為12%～17%，由此可知渠道滲漏是興電灌區渠道產生凍脹首要決定性的因素。

（四）溫度因素

在自然情況下一般粘土的起始凍結溫度在-0.1℃至1℃之間，溫度從0℃降到-3℃時未凍水含量變化極大；在-3℃～9℃左右，這時未凍水含量變化相對比較緩慢；當溫度低于-9℃時，未凍水含量變化極微。因此當土的含水量大于未凍含水量而溫度低于起始凍結溫度時土中即有冰層出現，興電灌區從結冰開始至12月開始至12月底為強凍脹期，凍結力隨著溫度的降低而迅速增長，凍脹變化較大。從12月開始到次年1月底，氣溫逐漸下降，凍深增加，稱為弱凍脹期，此時，凍脹變形相對較小。此后隨著溫度開始回升，基本化凍，部分凍脹恢復，了解溫度對渠道凍脹因素，可以指導我們制定每年冬灌停水時間，使渠道凍脹破壞減小。

四、凍脹的類型

通過普查，根據凍脹破壞渠道程度不同，將渠道凍脹破壞化分為三種類型，即輕微凍脹，中度凍脹，嚴重凍脹，為維修管護計劃制定提供依據。

（一）輕微凍脹

凍脹量（即襯砌表面向外突出的高度）在2 cm以下，凍脹多為不連續分布，春季凍土消融后能基本恢復原位，這一類凍脹渠共計有6.05 km，占凍脹渠14.2%，一年不維修，加強巡視，觀測。

（二）中度凍脹

凍脹量一般達5～10 cm，在較大范圍內呈波浪起伏或呈凍脹鼓包。或者整體襯砌渠側陰下降，陽坡上升。凍土融化后，往往不能恢復原位。裂縫增寬1cm。裂縫可加劇第二年凍前水分入滲和凍脹變形，如此惡性循環，最后可發展到嚴重凍脹情況。第二類型渠長總計6 km，占總凍脹渠14.08%，列為預備維修。

（三）嚴重凍脹

在第一年或連續數年凍脹作用下，混凝土板降起數十厘米，其中有一兩塊（陰坡水面以下部分）近乎直立，上一塊支成座椅狀其上部混凝土塊失去支撐，春節表土消融，水分被其下伏凍土阻隔不能排除，部分從裂縫向渠內滲流，致使板下土壤過分飽和而發生大片混凝土板塌滑，導致襯砌渠道完全破壞。發生此種情況時，往往會在邊坡渠床內出現裂縫，深可達幾十厘米，寬十余厘米，渠堤上部出現延伸數百米的裂縫，這類渠總長10 km，占凍脹渠23%，一般視情況列為當年維修項目。

五、防止措施

通過近幾年對凍脹渠道的維修保護，根據凍脹現象是水分、土質、溫度、設計、施工等因素綜合作用的結果，而且主要因素隨地區的變化很大，即使在同一地區，分布也不一致，陰坡、渠底、凍脹比陽坡重。根據灌區實際情況和凍脹產生的原因采用以下幾種防治措施:

（一）弧形底·梯形變坡斷面

一般情況下，對凍脹的梯形渠底改變為弧形底·梯形邊坡斷面，因為弧形底斷面裂縫錯位較少，縫隙小，尤其是弧形底部分，其凍脹變形以整體上臺為主，變形折角很小，凍脹破壞很輕微，梯形斷面上渠底中部，渠坡下部等特征部位產生較大的凍脹量，在弧形底斷面得到較大削減，實際觀測表面弧形底斷面凍脹變形比較均勻。

（二）膜料防滲

興電灌區氣候比較干旱，渠道滲漏是增加基本含水量最主要的途徑。因此在采取防凍措施首選防滲，減少基土的含水量，不僅能減少凍害，也適應高揚灌溉區節水的特點。我們在近幾年的維修，翻建過程中，采用聚乙烯塑料薄膜作為防滲材料，一般在混凝土預制塊及其它形式的襯砌下鋪設聚乙烯塑料防滲材料。以加強防滲抗凍效果。

（三）墊層換基

所謂墊層換基，就是將渠床上層基土清除，換上一層透水性強的砂礫作為渠道基層，墊層厚度根據渠道不同部位，厚度也不同，在施工當中坡腳陽坡30cm，陰坡50～60cm，坡頂20cm，渠底換填厚度采用自陽坡到陰坡逐漸過度。通過墊層換基，降低基土含水量，加厚墊層，減小凍脹深度，使基底低于凍脹含水量在負溫下不致產生凍結力。

（四）漿砌塊石襯砌和正六邊形預制板襯砌興電工程北干渠，附近有充足石料，條件便利，利用漿砌塊石襯砌渠道，因為漿砌石厚度大，整體性好，抗凍性能比厚度薄的混凝土板好。且漿砌石抵抗溫度應力的性能也比混凝土板好，所以，有些地方不設伸縮縫，雖應溫度應力產生微小裂縫，但其滲漏原比伸縮縫滲漏小，有利于防凍，其次采用較陡邊坡，可以減小浸潤寬度，有利于邊坡防凍。北干渠將有10cm的漿砌塊石渠道，凍脹破壞很小。采用正六邊形襯砌，受力結構條件好，防滲效果好，改善了防滲渠道凍脹變形分布不均性，增加了結構形式的構造應力。襯砌施工方便，渠道美觀。

（五）施工方面

施工質量對渠道影響極大，施工質量不好和養護不善，往往可以使一個好的抗凍技術方案失敗。在翻建施工時注意以下幾個方面的問題，一是保證墊層厚度與質量外達到方案要求；二是膜料鋪設時防止塑料膜人為破壞，故，施工人員應穿軟底鞋，應將小褶皺平貼渠坡；渠底鋪膜時，應將基底雜物清除，緊貼渠底，防止膜下鼓氣，保證防滲質量。膜料鋪設之后認真檢查，凡發現有空洞的，立即加以修補堵漏，接縫確保不漏水；三是預制混凝土塊也確保質量，混凝土塊表面整平，對周邊及底部用水洗刷干凈，勾縫砂漿應當干硬性的，搗實深度必須保證，勾縫要求密實，按規定養護；四是對于填方渠更應注意壓實。

（六）管理方面

管理水平的提高不提高對渠道影響也極大，如冬灌推遲停水，可能造成渠道大面積凍脹，停水后要清理部分渠道內的積水。如果管理跟不上去，極大會影響渠道凍脹。通過多年實踐興電灌區冬灌停水時間11月中旬，水停之后組織職工對渠道清理積水，對建筑物如閘門，閘閥都搞一些防凍措施，從而減少凍脹。

通過工程翻建維修，依據以上的防凍害措施，和措施綜合利用，從1995年開始經過10年以來對嚴重凍脹渠分別進行了維修，加設防滲膜料，墊層換基進行了處理共計有10km，較好的解決了凍脹破壞問題，有效保證渠道的安全運行。

（編輯：劉國華）

TV93

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1673-9019(2016)19-0043-02

2016-08-03

楊志平（1971-），男，甘肅靖遠人，工程師，主要從事興電罐區渠道運行和供水管理工作。