渠道产生冻害的原因与防冻胀技术

　　随着人口增长，社会经济快速发展，新疆水资源供给越发紧张，合理利用和优化配置有限水资源的要求也越来越迫切。新疆农业用水的比重达 90%以上，大力发展节水高效农业降低农业用水比重，需要积极研究推广渠道防渗、灌区改造等各种节水技术。

　　新疆地区目前各类的输水渠道总里程数大约为 32.6 万公里，但其中采取防渗措施的渠道只有 11.8 万公里，只占到了渠道总里程数的 36.2%，由此可以看出，渠道防渗节水潜力巨大。灌溉渠道在输水过程中会有一部分水量渗漏到渠基土中，不仅造成严重的水量损失，而且致使地下水位抬高，加重灌区土壤盐碱化，同时导致渠道衬砌体发生冻害、变形、侵蚀等一系列问题。根据有关资料，土渠在行水期间会有 40%～70%的水量被渗漏掉。于是，渠道防渗工程技术应运而生，它适用于所有的灌溉渠道[1]。渠道防渗衬砌后渠系水的利用率达 80%以上，一般亩均节水可达 80～200m3。

　　在北方寒区，冻害是衬砌防渗渠道面临的难题之一。由于我国季节性冻土区分布较广，约占国土面积的一半以上，北方大部分地区的土层会出现冬季冻结春季融化的现象[2]，新疆地区的冻结期在每年的十一月份左右开始，冻融作用一直持续到翌年的三月底左右，历时五个月左右。在此期间，衬砌的防渗渠道由于冻胀、消融作用，以及刚性衬砌体自身质量轻、抗拉强度低、适应拉伸变形或不均匀沉陷能力差而引起的破坏最为突出[3]。冬季时期，没有采取抗冻胀措施的渠道往往会出现不同程度的冻害现象，加之时断时续通水的影响，使冻害呈加剧发展状态，给渠道“雪上加霜”。冻害不仅影响了工程的正常运行，增加了工程管理维护的难度和费用，也影响了防渗效果，有的甚至完全丧失了防渗的作用，造成大量水资源的严重浪费。

　　1 渠道产生冻害的原因及冻胀机理

　　冻胀是指含有一定量水的土体在负温作用下发生冻结时，土中水可能会向土体温度较冷的方向移动（即水分发生迁移现象），引起土体空隙中所含冰的积累，当冰的积累量超出土体内空隙所能容纳的能力时，土体体积发生的膨胀现象[4]。因此，冻胀的发生必须同时具备三个条件：较低的温度、水分和具有冻胀敏感性的土质。在冻胀过程中三个条件相互制约、相互影响。

　　在寒区，冬季气温都要降低到零摄氏度以下，负温对于衬砌防渗渠道产生冻胀破坏、冻融破坏和冰冻破坏三种类型的冻害。冻胀破坏是指渠基土冻胀和融沉对衬砌结构的破坏，冰冻破坏是指冬季输水渠道水体结冰对衬砌结构的破坏，冻融破坏是渠道衬砌材料内部孔隙水的冻融导致衬砌板的破坏。研究表明渠道发生冻害的基本条件是负温、土质和水分，负温是基土发生冻害的外因，土质和水分是基土发生冻害的内因。同时搞清楚渠道衬砌体冻胀破坏的机理，更能针对性的提出防治措施。

　　2 渠道防冻胀技术措施

　　冻胀破坏的三个基本条件中，只有三个条件同时具备，衬砌渠道才发生冻胀破坏，因此，只要控制其中一个条件就能防止和减轻冻胀危害。从寒区常规的气候条件来看，外部温度不达到负温是不可能的，因此需要采取保温措施使内部不达到负温；防冻胀处理常用的方法是切断冻土地基在冻结前、后的水分补给，改变渠基土体的基本结构也是保证土体非冻胀性的一种方法[5]。

　　2.1 改善渠基土质

　　一般在工程施工中，常利用换土法、压实法、化学灌浆处理法和土工加筋法等来改善渠基土质。换土法是利用砂、石等不冻胀性的土体换填原渠基中一定范围内的细颗粒土体，换土法的换填工程量大，换填层厚度一般不小于土体冻胀深度，适用于地下水位在土体冻深线以下、土体含水量和冻胀量均较大的渠道。压实是利用压碾工具对粘性土质进行强夯或压实，使土壤颗粒重新排列组合，降低土体的孔隙率和透水性、抗渗性和隔温性能，有效阻碍土中水分的迁移，削减土体的冻胀能力。化学灌浆处理法是使用灌浆设备将化学材料注入地层中，使渠基土体固结，阻塞土壤毛细管管路，使水分难以发生迁移，工程造价高、施工复杂。土工加筋法：在土中铺设拉筋，以达到改善整个土工系统力学性能的目的的一种土工加固方法。当基土发生冻胀时，加筋材料就会随之发生拉伸变形，其自身的抵抗能力会约束土体的冻胀变形。

　　2.2 改善水分条件

　　通过采用“上防”和“下离”的方式，使渠基土体内的含水量和地下水位能够降低。“上防”，就是采用如土工膜料、砌石、混凝土或是沥青混凝土等防渗材料，以达到能阻断渠基土地下水源对冻结区的水分补给、降低基土的含水量和地下水水位的工程目的；“下离”就是将渠床冻结层中的重力水亦或是渠道周围的渗水，排泄出渠体[6]。

　　2.3 改善温度条件

　　在渠道施工过程中，可以在渠道衬砌体下选择铺设一些具有隔热保温性能的材料，使土体温度能够保持在一个较高的数值范围内，土体不致受冻。对防止渠道发生冻胀破坏，这是一项很有效的工程技术处理措施。可在渠道基土中适当铺设一些具有隔热保温性能的材料，如炉渣、石蜡渣、泡沫水泥、玻璃纤维、膨胀珍珠岩保温板或是聚苯乙烯保温板等。

　　3 结束语

　　随着国家对大型中型灌区续建配套与节水改造投资的增加，新疆地区在渠道防渗抗冻技术及其工程应用方面，取得了长足的进步，特别是在渠道防渗防冻胀新材料的研制与开发，比如膨润土防水毯、雷诺护垫、改性沥青混凝土、改性 PP 纤维混凝土等新材料新技术在实际工程中的使用取得了很好的效果。另外，作为设计方应充分调查、弄清渠道所在地的自然条件、渠道施工和运行条件以及当地土质冻胀变形的情况，因地制宜、按照相关工程防渗抗冻胀设计规范要求所提供的依据进行设计。

　　参考文献

　　[1]周维博，李立新，何武权，等.我国渠道防渗技术研究与进展[J].水利水电科技进展，2004，24(5)：60-63.

　　[2]申向东，张玉佩，王丽萍.混凝土预制板衬砌梯形断面渠道的冻胀破坏受力分析[J].农业工程学报，2012，28(16)：80-85.

　　[3]刘文生.高地下水强透水渠段混凝土防渗渠道抗冻害处理[J].中国农村水利水电，1998(1)：31-31.

　　[4]盛煜，陈肖柏.饱和土在荷载作用下的一维冻胀模型[A].工程冻土学术交流会论文集[C].1993，24(5).

　　[5]何武全，张绍强，吉晔，等.季节性冻土地区渠道防渗防冻胀技术与应用模式[J].节水灌溉，2012，11：67-70.

　　[6]孙 .论寒冷地区混凝土衬砌渠道的冻胀破坏与防治[J].水利科技与经济，2011，6：19-20.

　　[7]杨振北.浅议渠道防冻胀处理方法[J].农业科技与信息，2007，16：48-50.

　　[8]张晨笛，何武全，张希栋，等.季节性冻土地区渠道防渗防冻胀新材料及应用[J].水资源与水工程学报，2011，5：145-148.