农田水利工程冻胀破坏及防治措施分析

孙忠权 王居芳

【摘 要】我国农业在国内乃至国际都占据着重要地位，其中开展农田水利工程对促进农业发展起着积极作用。然而在农田水利工程中冻胀破坏对工程建筑物的破坏力较大，尤其水位变动区的混凝土表面，一旦冻结会立即引起体积膨胀，融化时会化成水，降低弹性指数，长期以往较易剥蚀脱落，进而影响工程效益发挥。本文则以宁夏惠农区农田水利工程为例，探究此项工程冻胀破坏原因，并针对破坏原因给予解决措施，以供参考。

【关键词】农田水利工程；冻胀破坏；原因；防治

惠农区位于宁夏回族自治区石嘴山市的最北端，由贺兰山丘陵地、洪积倾斜平原、黄河冲积平原三个单元组成。属于中温带干旱大陆性气候，东南季风受重山阻隔进入本区降水稀少，从西北而来的蒙古高压干冷气流可自贺兰山鄂尔多斯高原长驱直入，夏热而短促，春暖而多风，秋凉而短早，冬寒而漫长，多年平均气温8.8℃，极端最高氣温38℃，极端最低气温- 28.4℃。夏季主导风向为西南风，频率10.8%，多而大，平均风速3m/s，其余各季为北风和东北风，频率8.9%，平均风速2.19m/s，也正是因为此极端天气，极容易在进行农田水利工程中出现东胀破坏。

1 农田水利工程冻胀破坏原因

1.1 混凝土冻胀破坏

土的组成是有机物质和矿物颗粒，是多孔多相松散的介质。相关实验表明，土质颗粒直径>0.1mm时几乎不存在冻胀，直径0.1～0.05mm时冻胀属性相对均匀，直径0.05～0.002mm时冻胀属性最强。而造成混凝土冻融破坏有多方面因素：1）外加剂影响；在混凝土施工过程中掺入减水剂能起到改善混凝土内部结构的作用，内部孔隙结构结构也会相应得到改善，降低冻胀应力，提高混凝土抗冻性。2）水泥中不同矿物成份、品种及骨料会影响混凝土的耐久性。3）防止受水位变化影响；导致混凝土出现严重冻胀多在寒冷季节水位变化时期，需采取有力的措施予以防止。

1.2 渠系建筑物冻胀破坏因素

渠系建筑物可以直接影响农田供水效果，是农田水利的重点工程。土壤之所以发生冻胀受多方面影响因素，如土壤温度、土质、含水量、土壤结构、压力及气温等，产生冻胀力后发生形态变化。土体中的水分冻结后变成冰后导致土壤出现冻胀，土壤体积膨胀是在受到约束后产生的力。观察灌区渠道及相配套建筑物可得知，冻土深度会随着冬季气温的降低而扩大，冻胀也越严重，渠道混凝土面板的变形增大后也会导致其断裂程度越来越严重。由于砂砾石土质中不存在薄膜水，很少在冻结时发生水分迁移，从而不会产生冻胀。所以土壤中的土体颗粒、水、负温及物理性质是造成渠道破坏的关键因素，多数发生在灌区的中下部。渠道基土受冻后体积逐渐膨胀，以致渠道冻胀破坏。通常受冻体积膨胀的渠基土要具备土壤本身的中矿物质成份、颗粒等物理力学性质，具备土壤中会存在自由水和毛细水且有通畅的水分补给通道及寒冷气候区持续的负温等三个条件。其中土壤中自由水和毛细水是必备条件，也是冻胀发生的先决条件。水在整个浆胀破坏过程中是最活跃的因素。当前受冻胀破坏渠道基本处于灌区中、下游居多，主要是因地下水埋在灌区中下游地区较为深浅，土体中自由水和毛细水的补给较为充足，再加上土壤颗粒细，然而气温一旦下降至零度以下，土体会因毛细水和自由水的体积受体膨胀而引发膨胀，导致渠道被破坏。

2 防治农田水利工程冻胀破坏措施

2.1 做好农田工程设计，预防冻胀破坏

一般农田水利工程冻胀破坏可从改变冻土的冻胀性质及分析冻胀规律，改变工程结构两方面着手，以此提高抗冻能力。这些措施都要从设计、施工、管理等各个方面综合考虑。首先设计方面。总体布置时应重视该地区年均最低气温、历史最低气温、冻害情况、地下水的埋深补给等情况，选择工程地段尽可能的以排水条件好、地势高、土壤冻胀小为前提。在满足使用条件下，建筑物的布置力求简单。例如一字型水闸渠系建筑物，重点在于将垂直防渗改为水平防渗，缩小断面，保证重点部位不会遭遇冻胀。基础处理方面可对胀土铺设隔水层。反拱底板具有良好的拱形结构抗压性能，是一种较好的处理措施，相关冻胀力可以利用反拱底板起到抵抗的作用，广泛应用于各大施工单位。本文所研究农田水利工程建筑物就合理采用了反拱底板结构，取得了良好的效果。此外，还可合理分割并设置建筑物变形缝，避免建筑物因冻害而遭到破坏，在于改善结构内部在冻胀力作用下的受力条件。如渠系建筑物可采用柔性连接管节，同时也可采用固定联接，有效避免管节之间因土基冻胀上抬引起的错位，以适应冻胀变形或防渗防冲。

2.2 切断冻土地基水分补给

从分析工程冻胀破坏原因中得知，导致土体冻胀有土壤本身的中矿物质成份、颗粒等物理力学性质，具备土壤中会存在自由水和毛细水且有通畅的水分补给通道及寒冷气候区持续的负温三个条件，只要三个条件同时具备才会发生冻胀破坏。同理而言，消除三个破坏因素中的一个才能减轻和防止冻胀危害。本文所研究农田水利工程地区气候条件是不可能使外部温度不降低至零度，因此需采用常用的处理防冻胀的措施，即在冻结前、后切断土地基的水分补给。一般减少水分的补给会采用排水或高填，但不能忽视毛细水的作用及土体颗粒及物理力学性质。毛细水若上升至地下水面以下的2～3m的平面同样使渠道产生东胀破坏，所以是不可能切断细颗粒土体水分。针对上述情况应从改变基土结构分析，换填渠基土就是改变基土的基本结构，在渠基中填入大颗粒的土体，挖走原来的细颗粒土体，通常换填厚度要和冻土深度相符，所以这种换填工程较大，一些冻土深度相对较深的地方适合用这种方法。

2.3 优化施工步骤和修补措施

在冬季对建筑基础进行施工时，挖好基坑后要立即砌筑或浇筑并用保温材料及时覆盖，不得使地基土受冻。如果室外昼夜平均气温低于3℃时还要赶浇混凝土可掺杂一定量的防冻剂。因为防冻剂能减少混凝土中水分，增强混凝土的强度和抗冻性。但需要留意的是如果防冻剂超过限值，可能会因掺加过多的防冻剂而降低抗冻性。据某省市试验资料表明，在木模中新浇的混凝土若暴漏在日极端气温- 10℃天气中，混凝土温度最低最降至- 3.7℃。如果将掺杂水泥用量3%亚硝酸钠足以使混凝土是在无保温措施下不会发生早期冻胀，也有利于混凝土强度、抗冻及耐久性。此外，还可通过各种治理措施预防冻胀。如喷浆防渗；指在需被修补的部位将混凝土板料以高速运动的形式注入，多用于混凝土冻融破坏较为严重的部位，抗渗性和密度都优于一般混凝土且效果佳。例如环氧材料修补；这种材料具有较高的抗渗、抗蚀能力，还能与混凝土结合，材料配比严格，施工工艺相对来说较复杂，如果和其他修补方法配合使用效果更佳。

3 结语

总之，在农田水利工程中冻胀破坏有较大的影响力，尤其对于一些温良季风气候、年平均气温3.9℃的自然调价区域是十分不利的，寒冷天气会使兴建的农田水利工程受到冰融、冻胀的破坏。对此，工程施工单位应系统地观察地区环境变化，掌握冰融、冻胀规律，尽可能的制定出简便易行且符合本地实际情况的防护措施，在农田水利工程设计、施工及后续维修管理方面应顺应自然，统筹兼顾，从而减轻冻胀破坏的损失。

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