冬季输水渠道防冻胀破坏研究

(菏泽市闫潭送水干线管理处，山东 菏泽 274000)

冬季输水渠道防冻胀破坏研究

王文生

(菏泽市闫潭送水干线管理处，山东 菏泽 274000)

输水渠道是目前普遍推广的节水灌溉措施，其在一定程度上提高了灌溉效率。因此，对冬季输水渠道的冻胀破坏形式、原因及防治措施进行研究具有重要价值。常见的输水渠道破坏形式有隆起架空、错位及滑塌、鼓胀及裂缝等。冬季输水渠道冻胀破坏基本发生在边坡板的中1/3范围内，冻胀量较大，边坡板中部易形成台阶。在分析其冻胀破坏机理的基础上，从次全断面换填、边坡保温绝热、新型渠道结构三个方面提出防治措施，以为同类工程提供借鉴。

冬季输水；混凝土渠道；非全断面冻结；防冻胀破坏

1 概 述

中国是一个水资源短缺的国家，单位耕地面积的水资源占有量仅为世界平均水平的1/2[1]。然而，目前灌溉渠系水利用系数为0.55[2]，控制输水渠道渗漏是提高农业用水效率的主要措施。因此，混凝土衬砌输水渠道逐渐成为普遍推广的节水灌溉措施，其在一定程度上促进了农业增产，提高了灌溉效率。

中国季节性冻土区域分布广泛，占国土面积的53.5%[3]。冬季负温条件下，灌区混凝土衬砌渠道受冻害影响，限制了其正常发挥输水功效，已成为制约灌溉工程长效运行的关键问题[4]，现亟需对冬季输水渠道混凝土衬砌冻胀破坏形式、原因及防治措施展开研究。

2 冻胀破坏形式

冻胀变形过程为：渠基土中的水因气温降低结冰体积膨胀，促使土体体积增大，引发衬砌结构冻胀变形。当变形量超过允许变形量时，混凝土结构会开裂、折断，气温回升后，土体含水量上升，强度、稳定性急剧下降，引发衬砌体滑塌[5]。

冻胀力作用下，输水渠道破坏的表现形式主要为隆起架空、错位及滑塌、鼓胀及裂缝等。渠道冻胀破坏情况示意如图1所示。

图1 输水渠道边坡冻胀破坏

2.1 隆起架空

负温条件下，输水渠道顶部和底端极易产生不均匀变形，渠顶距离地下水远，冻胀量小；渠基距离地下水近，冻胀量大。不均匀冻胀极易引发混凝土衬砌板隆起，严重时部分渠段发生架空破坏。经统计，冻胀量不均匀多发生于坡脚或渠底中部，冻胀破坏严重的地区极易顺坡向上形成数个台阶。

2.2 衬砌板错位

混凝土衬砌板错位是季节性冻土区常见的冻胀破坏形式。负温条件下，不均匀冻胀引发的隆起架空现象如发生于输水渠道的坡脚支撑处，当气温回升到结冰点以上后，渠基土中冻结的冰融化，引发坡脚以上衬砌板失去支撑，衬砌板相继向下滑移、错位。

2.3 鼓胀及裂缝

负温条件下，混凝土衬砌板与渠基土冻结成整体，共同承受冻胀力，当应力值大于混凝土衬砌板极限应力时，衬砌板体会鼓胀、裂缝。混凝土衬砌板的冻胀裂缝，多出现在现浇混凝土衬砌板顺水方向，一般在渠底中部。冬季输水渠道行水时，衬砌板在水位线附近出现裂缝后，极易发生折断。

3 冻胀破坏特点

边坡衬砌板的中部是冬季输水渠道冻胀破坏的高概率发生区。与冬季不输水渠道相比，其冻胀部位高、冻胀量大、维修后复发率高，很难根治[6]。

3.1 冻胀破坏部位高

冬季输水渠道冻胀破坏范围比冬季不输水渠道更广，涉及的破坏部位更高。通常情况下，冬季输水渠道冻胀破坏可延伸至边坡衬砌板的中上部位，这是由于冬季来水量小，渠道引输流量只有设计流量的20%左右，流量水面线均在边坡衬砌板的下部位置波动，以水面线为边界，以上为冻胀破坏区，以下为非冻胀破坏区。

3.2 冻胀量大

由于冬季输水渠道对应渠基土含水量大，冻胀破坏更为剧烈，对衬砌板的影响也更强。较大多数输水渠道，在冬季输水条件下，衬砌板极易冻胀破坏形成鼓胀台阶。渠道冻胀破坏部位以下形成冰和渠基土的夹层，气温回升后，冰融化促使衬砌板塌陷，形成空洞。

3.3 复发率高

输水渠道的冻胀破坏部位极易形成破坏脆弱区，在一次冻胀破坏后，对负温的条件更为敏感，冻胀破坏复发率较高。针对冻胀破坏发生区，需建立高频度的检修维护政策，在气温回升后，人工排查冻胀破坏是否再次发生。

4 冻胀破坏机理

4.1 冻胀变位不协调

冬季负温的条件下，输水渠道中的水体和外界气温具有一定的温差，导致以水面线为边界，输水渠道衬砌板形成气温零上和零下两大区域。水面线以上的衬砌板，受负温条件影响，其对应的渠基土发生固结冻胀，输水渠道破坏。水面线以下的衬砌板，虽然外界气温为零下，但是输送水体为流动状态，对渠道形成温度保护，渠基土温度始终保持在零度以上，不会发生冻胀破坏。

以水面线为分界的上下衬砌板，因冻胀变形不一致，极易形成拉断或折断形成裂缝[7]。由于裂缝的产生，大量的水经裂缝渗入土层，不断向冻结锋面迁移，生成大量冰夹层和冰凸镜体，使冻胀量猛增，把衬砌板顶起形成二台，如图2所示。

图2 冬季输水渠道冻胀与变位

4.2 融沉难复位

冻胀发生过程中，水面线以上衬砌板发生冻胀破坏，该区域衬砌板产生线位移和角位移两个维度的变形，而水面线以下衬砌板失去接触作用力，仅在平行于边坡方向产生线位移[8]。在气温回升后，固结渠基土中的冰融化，冻胀破坏部位衬砌板在重力作用下，仅能恢复线位移的变形。

冻胀破坏鼓起衬砌板下的冰夹层和冰凸镜体因气温回升消融后沉降，而其上衬砌板相互支撑难以落下来，留下了相互串通空穴，如图3所示。如春季不及时停水检修，输水流量增大后必定发生垮渠。

图3 冻土融沉

5 防治措施

在分析研究冬季输水渠道边坡衬砌板冻胀破坏机理的基础上，依据其冻胀破坏特征制定防治方案。防治的关键是要防止冬季输水渠道产生以零摄氏度为界的温度分区，或者采取工程措施避免产生冻胀区和非冻胀区的不一致变形。

5.1 次全断面换填

渠基土的冻胀变形强弱是防治输水渠道冻胀破坏的关键指标。砂砾、碎石等因含水率低、冻胀变形小，常作为季节性冻土区输水渠道的推荐更换土料。在砂砾、碎石等原材料丰富的条件下，输水渠道施工过程中，可批量更换渠基土，尽量减少黏性土的比例。

采用砂砾、碎石等材料更换渠基土的深度应不小于最大冻土深度的2/3，如图4所示。渠基土采用非冻胀材料换填后，冬季负温条件下，渠基不会因冻胀而产生变形，输水渠道可避免发生冻胀破坏。

图4 次全断面换填

5.2 边坡保温绝热

为避免冬季输水渠道因输送水体存在而形成温度分区，可在混凝土衬砌板下铺设保温绝热层，如图5所示。

图5 边坡保温绝热

保温绝热层的存在，可在一定程度上防止以水面线为边界形成温度分区，保证输水渠道的冻胀变形量一致。在气温回升后，输水渠道的冻胀变形可自行恢复，有效避免了冻胀破坏的发生。

5.3 新型渠道结构

科学、合理地选定输水渠道设计断面和衬砌结构对提高其抵抗冻胀能力具有重要作用。通过总结不同渠道结构型式运行数据，依据多年科学试验和生产实践结果，提出适合当地气象、地质条件的结构型式。

适应不均匀冻胀能力较强的渠道断面有U形、弧形底梯形、弧形坡脚梯形等。对于不同渠道应采用不同断面形式，小型输水渠道宜采用U形断面，中型输水渠道宜采用弧形底梯形断面，大型输水渠道宜采用弧形坡脚梯形断面。

6 结 语

中国是一个农业用水量大国，混凝土衬砌输水渠道是目前普遍推广的节水灌溉措施，其在一定程度上提高了灌溉效率。对冬季输水渠道混凝土衬砌冻胀破坏形式、原因及防治措施的研究逐渐成为保障其长效运行的关键。

冻胀力作用下，输水渠道破坏的表现形式主要为隆起架空、错位及滑塌、鼓胀及裂缝等。相对于冬季不输水渠道，冬季输水渠道冻胀破坏基本发生在边坡板的中1/3范围内，且通常冻胀量较大，在边坡板中部极易形成台阶。冻胀破坏修复后，需加强冻胀破坏段的检修力度，避免渠道反复破坏。

本文在分析冬季输水渠道冻胀破坏机理的基础上，从次全断面换填、边坡保温绝热、新型渠道结构三个方面提出防治措施，避免边坡衬砌层下正、负温度区内土体产生变形差异，杜绝边坡衬砌板下产生正、负温度分区。

[1] 张宇峰. 灌区冬季输水渠道防冰和防冻胀措施分析[J]. 企业技术开发月刊, 2016, 35(20):147-148.

[2] 薛洁. 渠道防渗现浇混凝土渠防冻胀衬砌厚度计算[J]. 南水北调与水利科技, 2001(4):38-41.

[3] 刘志斌, 刘建军. 渠道工程中保温板防冻胀设计[J]. 人民长江, 2012, 43(20):33-35.

[4] 李沛炜, 姚亮, 孙凤梅. 南水北调中线工程渠道衬砌体冻胀机理与防治措施[J]. 河南水利与南水北调, 2009(11):28-29.

[5] 李甲林. 渠道衬砌冻胀破坏力学模型及防冻胀结构研究[D]. 杨凌：西北农林科技大学, 2009.

[6] 王金山, 张泽玉. 济平干渠渠道冻胀成因分析及防治措施研究[J]. 水利建设与管理, 2007, 27(10):39-40.

[7] 丁涛. 混凝土衬砌渠道防冻胀技术在节水改造中的应用[J]. 水利科技与经济, 2015, 21(3):111-114.

[8] 王丹. 输水渠道衬砌结构冻害防治及优化设计研究[D]. 大连：大连理工大学, 2013.

Studyonfrostexpansionfailurepreventionofwatertransmissionchannelinwinter

WANG Wensheng

(HezeYantanWaterTransmissionTrunkManagementOffice,Heze274000,China)

Water transmission channel is a widely promoted water-saving irrigation measure at present, which improves the irrigation efficiency to a certain extent. Therefore, it is of great value to study the frost expansion failure forms, causes and control measures of water transmission channels in winter. Common water transmission channel destruction forms include uplifting, dislocation, slump, bulge, fracture, etc. In winter, the frost expansion failure basically occurs in the middle 1/3 scope of the slope plate. The frost expansion is larger, and steps can be formed easily in the middle of the slope plate. The frost expansion failure mechanism is analyzed. On the basis, prevention measures are proposed from three aspects of subtotal cross-section filling, slope insulation and novel channel structure.

water transmission in winter; concrete channel; non-total section freezing; frost expansion failure prevention

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.021

TV91

B

1005-4774(2017)010-0086-04