渠道防渗工程设计及冻害防治研究
【摘要】混凝土渠道因裸露面积大，长时间与水接触，容易受到冻胀破坏，在我国北方地区，由于水资源缺乏，混凝土渠道是提高水资源利用率、防止水分下渗流失的重要基础设施，在冬季温度极低的情况下混凝土渠道仍然担负着输水任务，因此冻害现象十分普遍，影响了工程效益的发挥。本文结合新疆塔里木河流域某大型灌区续建配套与节水改造项目中的混凝土渠道的运行情况对渠道混凝土冻害产生的原因作了分析，提出了渠道工程防止冻害的具体措施。
【关键词】混凝土渠道;防渗工程;设计要点;冻害防治
1概述
混凝土渠道具有防渗效果好、运行安全等特点，在北方河流区域综合治理和大型灌区配套与节水改造工程项目中起到了提高水资源利用率，改善自然环境，节约用水的作用。但是由于混凝土受风化作用的影响比较大，在输水过程中容易因温度过低而导致混凝土结构的破坏。
2混凝土渠道产生冻害的原因分析
混凝土冻害的产生一方面与温度有关，另一方面与混凝土结构本身成分有关。混凝土主要成分是砂石、水泥和水，这些材料根据一定的比例组合而成，由于这些建筑材料吸水性较强，而且韧性低、较脆，在输水过程中长期处于水中，水分会因混凝土结构的吸水性而渗入结构中，在冬季气温低于0℃时混凝土结构中的水分体积会膨胀，经过多次冻胀和融化使混凝土结构发生破坏。从冻胀应力角度来看，混凝土渠道的冻害形式主要有以下几种。
2.1鼓胀和裂缝
在秋冬温度较低的季节，当气温下降至0℃以下时，由于渠道内基土含有水分，混凝土与渠道基土会因水的凝固而冻成一个整体，混凝土结构同时承受着冻结力、冻胀力和混凝土结构本身因热胀冷缩所产生的拉力，当这些应力超过了混凝土在低温环境下承受力的上限时混凝土板块就会出现裂缝。
2.2架空隆起
塔里木河流域的很多渠道工程因天山雨雪融化下渗，地下水丰富、地下水位较高，当冬季低温时混凝土板与渠道基土冻成一个整体，基土中丰富的水分在凝固时膨胀，对混凝土板产生一种隆起、架空的力量，这种现象一般出现在坡脚或者渠底中部等地段，当隆起架空力量超过混凝土板承受能力时混凝土结构会发生破坏。
2.3滑塌
滑塌的出现有两个方面的原因:由冻胀引起混凝土板架空隆起时会破坏坡脚基土的支撑能力，混凝土板的垫层会失去稳定性，当基土内的水分开始融化时体积缩小，基土与混凝土板块之间出现空隙，混凝土板块会因为下部架空而沿着空隙下滑错位。渠坡基土在温度升高时，由于结冰融化失去支撑作用而导致渠坡基土出现大面积滑坡，致使坡脚的混凝土被推开而滑塌。
3混凝土渠道防渗工程设计要点
3.1合理选择渠道混凝土的结构型式
合理选择结构型式是做好混凝土防渗渠道设计的第一步，也是基础性工作。防渗渠道的设计要根据灌区面积、作物布局、地下水位以及渠道地形和土壤条件等因素，确定渠道的断面尺寸。渠道的断面型式对渠道的强度、渠道的整体性和使用年限有直接影响。目前，我国大部分混凝土防渗渠道都采用U形断面，该渠道混凝土板由专门的U形板成型机预制。该结构型式具有整体性好、强度高、各部位受力均匀、裂缝产生的可能性低、施工勾缝少、断面尺寸小、占地少等特点，施工方便，防冻胀效果好。U形防渗渠道一般采用单层护面衬砌，在混凝土板之间设置横向连接缝，可增强混凝土渠道强度和整体性，提高防冻能力。在防渗渠的顶部设置15～30cm的土壤顶板，能够有效防止雨水渗入渠基带走泥沙而破坏渠底。
3.2防渗防冻害设计
混凝土渠道的冻害程度及破坏力与渠道基土冻结时水分的迁移情况和冻胀力大小有关，这些作用又取决于当地土质、土壤的含水量、温度和工程结构，因此，对这些可能导致混凝土渠道冻害的因素采取措施能有效防止混凝土冻胀破坏。防止混凝土渠道发生冻害主要从两个方面采取措施:避免冻胀出现;削减冻胀。
3.3避免冻胀
在混凝土渠道线路的防渗规划设计中为避免冻胀出现，要尽量避开冻胀出现可能性较大的地区和冻胀性土区，尽量避免冻胀对混凝土渠道的作用。具体来讲，尽量避开结构松散的土层、淤泥沼泽以及地下水位过高的地段，要选择不易产生冻胀的透水性强或者地下水位较低的地段;尽量采用填方渠道;尽量选择地形较高的脊梁地带规划渠道线路;加强对有渗水和地面回水地段排水设施的建设;在渠道两侧设置林带，种植一些根系发达的树木，如柳树，通过根系改善渠道基土环境，防止冻害发生。
3.4削减冻胀
对于一些冻胀无法避免又不能改变线路的渠道应尽量采取削减冻胀的措施，降低渠道混凝土结构的冻害概率，将渠道基土的最大冻胀力通过人工手段削减至混凝土板块所能承受的范围内。具体做法如下:换填法，即在冬季土壤冻结能够影响到的深度内将混凝土板块下的冻胀性土壤换成非冻胀性材料的方法;隔热保温法，即在混凝土板块的背后布设一层保温材料，通过材料的隔热作用降低冬季低温对基土的作用，并且相应地减少换填层的深度，从而阻挡换填层下层土壤水分的补给，减轻渠道基土的冻深和冻胀力;冲击压实法，该方法在填土路基中应用较为广泛，在渠道基土工程中通过对基土进行冲击压实增加基土的干密度，降低基土的孔隙率和透水性，在冬季低温时能够阻挡水分的迁移和聚集，达到削减甚至消除冻胀的效果。
3.5设计要点
防渗渠道的断面型式除了U形外，常见的还有矩形、梯形(包括弧形底梯形、弧形坡脚梯形)和复合型等，这些断面型式由于适应冻胀变形能力比较强，能在一定程度上减轻冻胀带来的损害。根据甘肃省靖会电灌总干渠试验段的观测，弧形底部受到不均匀冻胀导致的折角变形平均为0.18°，梯形平底折角变形平均为4.5'，弧形断面能够很大程度地减轻冻胀开裂和边坡结冰消融时导致的滑塌破坏。防渗渠道的断面尺寸根据水力计算确定，梯形和矩形断面一般选择经济断面，地下水位较高的地方可以选择宽浅式断面，确定断面尺寸后要对渠道的平均流速进行校核，使平均流速满足不冲不淤的要求。渠道防渗设计在考虑防渗要求的同时还要注意地基的稳定性问题，要综合考虑防渗、防冻胀、防基土变形及防土壤盐碱化，在采用新技术时要结合当地的实际情况，使工程设计在满足技术先进的基础上做到切合实际、经济合理、施工方便、运行安全及经久耐用。
4混凝土渠道防冻害的管理与维护措施
4.1做好用水管理
混凝土渠道在灌溉时要根据渠道的水源、供水量、农作物需水量、渠道运行状况等合理编制调配水计划，防止盲目用水造成水资源浪费，避免过度用水导致水位超过混凝土板块而进入边坡渗入地下，使渠道基土被水冲刷导致混凝土板块架空造成冬季冻胀损害。
4.2加强混凝土渠道的维护管理
混凝土渠道安全运行离不开日常的维护管理，因此，要加强对混凝土渠道运行状况的观测，以便第一时间发现隐患并及时排除。在输水过程中要对水流情况进行观测，在停止输水期间要对区内进行检查。如发现有障碍物阻挡水流，渠道混凝土结构有裂缝和漏水，混凝土结构表面有剥离、磨损、汽蚀现象，板块与板块之间的接头脱落，伸缩缝内的填充物流失，要在第一时间进行处理和修复，防止问题随着输水时间增加而越来越严重。
4.3加强冬季管理
冬季是渠道混凝土冻害发生的主要时段，混凝土结构一旦发生冻胀破坏就会缩短渠道的使用寿命，因此必须要加强冬季渠道的管理，具体如下:冬季渠道输水灌溉必须要在日平均气温高于0℃时进行，防止渠道内水分结冰导致混凝土结构发生冻胀破坏;冬季降雪融化后要及时将积水排出渠道，防止雪后结冰破坏混凝土体;要做好日常检查工作，冬季气温低，风化程度加大，即使晴天也会对渠道混凝土造成影响，在冬季，昼夜温差大，混凝土结构吸热效果好，容易导致混凝土表面温度过高而底部温度过低，形成较大温差，使混凝土结构发生变形破坏，因此，要加强日常检查，发现问题及时处理，防止渠道内的水分深入渠基土反复冻融破坏防渗体;渠道周边的农田要在气温下降到0℃以下前半个月结束灌水，防止渠道基土因含水量过高引起混凝土体冻胀破坏。
5结语
混凝土渠道在我国北方十分常见，而冬季气温低，冻害成为影响混凝土渠道使用的最主要因素，因此，在渠道设计过程中要尽量避免冬季冻害对渠道混凝土造成的损害，在日常使用过程中要加强渠道的检查，做好日常维护管理，使渠道能够最大程度地发挥经济效益。
［1］许广鑫．我国渠道工程防渗技术的应用探讨［J］．科学之友，2010(18):3-4．
［2］王冬梅．渠道衬砌的冻害和湿陷防治探讨［J］．中国水运(下半月)，2010(5):2-4．
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