西北地区衬砌渠道抗冻胀设计讨论

□赵 力(新疆玛纳斯河肯斯瓦特水利枢纽工程建设管理局)

□王 恒（新疆生产建设兵团勘测规划设计研究院）

□邢建营(黄河勘测规划设计有限公司）

中央近几年对农业问题尤其是农业水利工程非常重视，投资力度在加大，政策倾斜度高，促进了西北地区水利基础设施的建设步伐。农业水利工程基础建设中很大一部分为渠道工程。在西北尤其新疆地区，渠道冻胀破坏问题尤其严重，直接影响了渠道防渗效果和使用寿命，导致渠道停水返修，无法保证作物灌溉，使农业生产遭受损失。因此如何解决冻胀破坏问题成为渠道设计和施工的关键问题。西北地区尤其是新疆地区渠道产生冻胀破坏的原因从设计角度出发进行分析，提出了抗冻胀的应对措施。

1.渠道发生冻胀破坏的原因

从作者多年实际工作经验看，发生冻胀破坏的原因很多。经过分析总结后，主要有以下几个因素：土的性质、环境温度、土壤含水量、土的压实性。冻胀破坏不是以上其中某一个因素的单一作用，而是4个因素综合作用。

1.1 土的性质

以新疆地区为例，南疆北疆土质差异较大，但都属于海洋性沉淀物质。在灌区内，渠道沿线所经之处以粘土、粉质粘土、夹沙粉土和大颗粒的砂砾石基础为主。目前对土的冻胀性质研究已有定论，即土的颗粒越小冻胀性越强。粒径为0.075～0.1mm的土，会发生冻胀，但并不强烈；粒径0.075～0.002mm的土，冻胀性最强。从微观角度看，土的颗粒越小，其毛细作用明显，更容易吸收空气中的水分，因此冻胀性也增强。以上提到的土，冻胀性从高到低依次为：粘土＞粉沙质粘土＞夹沙粉土，砂砾石没有冻胀性。

1.2 环境温度

环境温度是冻胀发生的必要条件之一。西北地区尤其新疆冬季气温较低，最低温度达到-40℃。各地气温有所不同，冻胀发生的破坏程度不同。渠道走向也会影响冻胀的破坏能力。根据观察，东西走向的渠道，由于渠道两侧边坡接受太阳光照射的时长不同，阴面的一侧冻胀严重，阳面的一侧次之。在新疆天山以北，冬季最低温度发生在12-1月，土壤最大冻深可达1.6m，此时由于冰雪覆盖，渠道已经冻胀，但从外表不易察看。根据工程运行看，南北疆的渠道虽地理位置不同，但是均有冻胀现象发生，以北疆渠道冻胀破坏最为严重，可见气温寒冷程度，将直接影响冻结深度。

1.3 土壤含水量

土壤含水量是产生冻胀的必要条件之一。土体中水分子由液态转变为固态，造成土体积增大，进而形成冻胀。影响土壤含水量的因素主要有：土壤自身含水量、渠道外来水补充。粘性土持水量较大，砂砾石土持水量小，因此在设计中应当重视渠线的地质资料，根据不同土质提出不同设计方案。渠道渗漏会引起土壤含水量增大，因此要重视渠道施工质量要求，精益求精。

1.4 压实度

渠道土压实密度越大，渠道发生冻胀的机率会变小，相反，土的压实密度不足，渠道土松散，会给冻胀留下很大隐患。因此，对施工单位和监理单位提出要求，施工过程中要重视渠道土的压实度检测。梯形渠道底部压实相对容易，但是边坡不易施工。施工单位应选择合适的机械和施工方法，压实指标可以达到设计要求。

除了以上主要4个影响因素外，冻胀还与渠道运行管理有一定关系。渠道建成后，由于管理不善，渠道混凝土破坏不及时修补，加之入冬前输水，水不可避免从缝隙中渗入渠床中，造成局部土壤水分饱和，造成冻胀破坏。另外渠道停水后有余水留存在渠道中不能及时排走，最终一部分蒸发到空气中，一部分渗入土中，为渠道冻胀留下隐患。

2.冻胀破坏的形式

根据作者多年对渠道冻胀破坏的观察，可以将冻胀破坏的形式分为3类。

2.1 渠道伸缩缝破坏

目前渠道衬砌绝大部分采用混凝土板。混凝土板缝是渠道中最关键也是最薄弱的部位。分缝处由于混凝土凝固收缩后，造成缝间开裂，为水进入渠床内部留下通道。填缝材料可以起到填充缝间隙和止水的作用，但材料选择不当，不能适应缝间的扩张和收缩，不利于渠道长久运行。

2.2 混凝土板裂缝

混凝土板裂缝有多种原因，一是冻胀鼓裂造成；二是渠床压实度不足，运行后渠床沉陷造成。渠道混凝土板裂缝对渠道破坏极其严重，维修难度也很大，根据统计，混凝土板发生纵向裂缝（顺水流方向）的占绝大多数，发生横向裂缝的不多见。

2.3 边坡滑塌

渠线选择不当，对地质情况判断不准确，容易造成渠床塌陷。另外渠道压实不够，也会引起边坡滑塌。

3.渠道设计防止冻胀发生的措施

针对以上提到几个产生冻胀的因素，设计人员主要从以下几个方面出发，在设计层面解决渠道冻胀问题。

3.1 渠道开挖处理

3.1.1 砂砾石换填法：其基本设计理念是用不具有冻胀性的土将渠床有冻胀性土的一部分置换。在西北地区，包括新疆、甘肃、陕北地区，当地砂砾石戈壁料和粉细砂丰富，该种土料非常适合作为换填土料。通过对新疆地区渠道的调查显示，采用换填法施工的渠道达到95%。对于设计者来说，最重要的是确定置换厚度的确定。目前最常使用的规范是《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23-2006）。根据规范计算结果表明，新疆北部地区一般置换厚度在0.6～1.2m之间甚至更大，新疆南部地区置换厚度在0.3～0.8m之间。此时需要根据工程规模和投资情况对换填厚度调整。渠道规模大，建筑物级别高，按照计算厚度选取。如果是小型渠道，输水流量小，往往投资额度有限，此时换填厚度可以减少。换填的砂砾石料和粉细砂含泥量不宜超过3%～5%。

3.1.2 渠床压实法：从理论上分析，压实的目的主要是使土的干密度增加，空隙率减小，同时渗水性降低。针对不同土质设计者应提出合适的指标，规范规定，粘性土按压实度控制，砂砾石或者粉细砂按相对密度控制。渠道必须经过压实后才可以进行下一步施工工序。

3.2 防渗排水

防止渠道渗漏和地面径流入渗，降低地下水位，是防止渠道冻胀的根本措施。目前防渗措施主要是铺设土工膜，效果很好，比如玛纳斯河一级水电站长约8km的引水渠，全段采用一布一膜防渗，自2006年投入运行以来，没有发生冻胀破坏。

3.3 隔热保温

所谓隔热保温，其实就是将渠床土和外界温度阻断，从而达到防冻胀的目的。在新疆地区，目前主要采用聚乙烯泡沫板来作为保温材料。该种方法施工速度快，但对保温板施工要求较高，保温板缝之间应结合紧密，不留空隙，真正形成阻断作用。但是苯板厚度超过一定厚度时，经济性上优势不如砂砾石换填法，应做方案比选后确定。

3.4 渠道横断面结构

目前渠道横断面结构形式主要有：混凝土结构，浆砌石结构，干砌石结构，原状土结构。根据西北地区近几年设计经验，结合实际运行效果，目前主要采用以下两种横断面结构。

3.4.1 弧型渠底结构：由于渠道冻胀时产生向上的顶托力，弧形渠底受力时产生“拱”效应，可以最大限度承受冻胀力。目前这种渠道横断面形式已经列入相关规范中，在有冻胀性的地区应优先选用。设计中对小型渠道（Q≤1.5m3/s）可以采用“U”形渠，对大中型渠道则选用弧形渠底+梯形边坡形式。施工时弧形渠底采用现浇混凝土。

3.4.2 干砌石结构：这种结构形式简单，投资较低，但是不能起到防渗作用，不适合水资源紧张的地区。干砌石结构可以起到防护护坡冲刷，由于自身的松散性，可以适应冻胀鼓起和冻胀回落两个过程。

3.5 渠道管理

加强渠道日常维护和管理有利于防止冻胀发生。尤其在入冬前，对渠道破损的部位及时修补，一般混凝土板缝间应重新灌注填缝止水材料，保证雨雪水不渗入内部。北方地区有冬灌的习惯，但是在输水过程中不能避免水渗入渠道，这些水分就成为冻胀的诱因，因此北方冬灌对渠道是非常不利的，解决办法是采用节水灌溉，或者将冬灌时间提前。目前新疆兵团绝大部分耕地采用节水灌溉，免去了冬灌。

4.结语

作者根据多年设计工作经历，针对西北地区渠道抗冻胀问题，提出了自己的见解。文章分析了引起渠道冻胀的主要因素，提出了解决冻胀问题的设计措施，对其他类似情形的渠道设计有一定的借鉴意义。

[1]刘世春，张力平.混凝土衬砌渠道抗冻胀设计特点[J].水利水电科技进展,2008,(8):28.

[2]樊甲忍，武华昌，李志强.衬砌渠道冻胀原理及抗冻胀计算[J].科技情报开发与经济，2002,(4).