浅谈灌区冬季输水渠道防冰和防冻胀措施

张秀萍

摘 要 在我国农作物种植过程中，为了解决灌溉问题普遍兴建农田水利设施。然而在我国北方地区，冬季气温偏低会造成输水渠道存在结冰问题，进而造成渠堤稳定性差、渗漏损失多，对农业生产造成不利影响，因此需要切实做好防冰和防冻胀措施。以甘肃省金昌市为例，从灌区输水渠道冻害的类型和表现入手，讨论输水渠道防冰和防冻工作存在的问题，及灌区输水渠道的防冰和防冻胀措施。

关键词 输水渠道;防冻胀;灌区;冬季;甘肃省金昌市

中图分类号：S277;TV698.26 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.15.097

甘肃省地处我国西北内陆，冬季受西伯利亚蒙古高压影响，气温偏低、霜期长，当地11月至次年3月均温低于0 ℃，其中1月平均最低温度为-14 ℃，致使该地区灌区输水渠道出现结冰和冰冻问题。渠道内水面出现浮冰或水面与坡面接触层结冰后造成冰塞情况，严重影响了输水性能，甚至造成渠道内冰水混合物淤结导致某个或多个断面整体堵塞，水流涌出渠体，对渠体外道路、农田、村庄等设施和人身财产安全造成严重破坏。此外，在冻土地区渠道的混凝土防水层也容易受到冰冻影响，出现渗水和漏水现象，最终导致渠道水利用效率降低。因此，新时期需要结合冬季输水渠道的运行特点，采取防冰和防冻胀的保护措施，全面提升渠道水资源利用效率，使其更好地服务于农业生产。

1 灌区输水渠道冻害的类型和表现

甘肃省金昌市冬季温度低于0 ℃天气较长，导致灌溉渠道出现较多的结冰和冻胀问题，具体表现在以下3个方面。

1.1 冰冻破坏

部分渠道在冬季输水过程中，水面结冰情况较为普遍，特别是渠道水面和坡面接触层被冰封之后，冰冻层会不断加厚逐渐向水面中心合拢，导致水面升高，对渠道坡面的衬砌体产生巨大冲击力，甚至造成混凝土衬砌体出现变形或者位移。此外，漂浮的水体表面冰块不断累积，导致渠道内流水流通不畅，降低了输水效率，更严重的甚至会出现全面封堵情况而形成冰坝，随之造成水体从渠道两侧溢出，造成更大的安全隐患[1]。

1.2 冻融破坏

受到冻融特性的影响，在渠道混凝土防渗层内部，孔隙水会导致衬砌层被破坏，由于渠道混凝土衬砌层具有吸水性特征，在长期的水环境下，防渗材料会存在一定水分，而材料在低温环境下会结冰和体积膨胀。在孔隙水膨胀作用下，如果超出渠道衬砌混凝土材料强度，就会出现防渗材料变形和裂缝，在多次负温循环影响下，材料的吸水性进一步加强，使得孔隙水膨胀，破坏性更加严重，随之出现渠道混凝土衬砌材料冻融破坏。

1.3 冻胀破坏

在室外长期处于0 ℃下，渠基土会出现冻融、融沉等问题，会对渠道混凝土衬砌结构造成破坏，尤其是季节性冻土区的渠道，在长期低温环境下，渠道基层土壤中含有的水分会结冰、体积膨胀，其膨胀压力超出混凝土耐压时，衬砌层会出现隆起破坏，甚至导致混凝土衬砌结构出现开裂、折断。春季冰雪融化后，使得渠基土体结构的强度和稳定性大大下降，严重时会导致衬砌结构出现滑塌，对渠道输水运行造成影响[2]。

2 输水渠道防冰和防冻工作中存在的问题

2.1 安全监测工作不到位

为了保证输水渠道的稳定性，降低冰冻灾害造成的损失，需要切实做好监测工作，但部分地区在输水渠道的安全监测方面未能达到检测要求，主要是由于监测基础设施不完善，加之主要采取人工记录的方法，由此导致水位记录、水渗漏情况、结冰数据的记录不准确、不及时。此外，在防冻管理工作方面，信息化的建设较为缓慢，导致不能及时发现发生冰冻灾害的地点，影响了处理时间和效率。

2.2 排冰措施不完善

金昌市11月至次年3月，低于0 ℃环境下容易出现渠道结冰，所以，必须切实做好排冰工作，但部分渠段依然在该环境下输水，缺少拦冰和防冰措施，导致冰冻灾害发生频繁，出现闸门结冰情况，一些渠道和闸门排冰十分困难，进一步导致闸门开闭难度加大[3]。

3 冬季灌区输水渠道的防冰和防冻胀措施

冬季输水渠道出现冻融、冰冻、冻胀等破坏，主要与渠道和建筑物的结构、温度、土质条件和养护措施存在关系，因此需要采取有效的防御措施消除其中不利因素，以降低或防止渠道衬砌结构出现破坏，进一步发挥出渠道的工程效益和经济效益。

3.1 强化冰情的动态监测

在渠道工程建设过程中，做好动态监测能够及时发现问题。1）要制定科学的规章制度，加强巡查力度，推动冰情监测工作的规范化开展，尤其是闸门渠道、干线容易出现冰冻灾害的地段，更要加大监测力度。2）在监测结果方面做好记录，与同期历史数值对比，以此分析冰情发展态势。3）为了提升渠道防冰冻工作质量，新时期可以利用自动化监测系统，如传感技术的利用可以有效节约人力投入。4）水利等相关部门需要加强资金投入，推动信息化建设，尤其是重点渠道，更要加强对水位渗漏和变形等数据的采集，然后与历史数据对比，进一步提升预测的准确性[4]。

3.2 优化输水调度方案

新时期，保障渠道安全性还需要优化输水调度方案，要求相关部门平衡好渠道水流量及结冰量的关系，在冰情时期控制输水流量，冬季气温偏低时，通过提前停水，可以避免河道堵塞，当气温逐渐回升时重新放水。若必须在冬季低温期输水，要根据多年输水经验确定流量大小，同时尽量避免流量忽大忽小，保证流量稳定，坡面结冰位置基本不变，以避免结冰范围扩大。

3.3 确定冰害位置

当前，冬季输水运行渠道出现冰冻情况，主要集中在渠道干线分水口、电站进水闸及压力前池，特殊年份冬季气温过低时，还会出现沿途坡面连续性结冰，整体体现出灌区渠道工程冰害位置的“一线多点”特征。对于渠道干线出现的冰害，在实际处理过程中，应做好以下3个方面的工作。1）考虑输冰运行及结冰盖运行方式，后期流量不可大于前期流量，以有效降低结冰情况，减少冰冻对干线衬砌混凝土造成的破坏。2）在压力前池、河进水闸等部位，主要是利用水力拉冰或者机械排冰的方法，减少结冰情况，降低破坏力。3）根据各地区经驗，整体来讲，渠道的岸冰不得高出40 cm，如果岸冰宽度达到或者超过40 cm，要利用人力疏导水力自身冲击、打捞排冰、机械松动等方法清除，还要结合工程实际情况，在沿线选取合适位置，对排冰道合理布设，通过管理措施降低渠道内的结冰情况，减少出现冰塞冰堵[5]。

3.4 优化渠道结构断面

在预防渠道冰害过程中，需要对渠道断面合理设计，如果渠道流量不足3 m3·s-1的小流速输水渠道，可以设置成为输水效率偏高、防冻性能较好的U型或者矩形断面，进而通过渠道结构的优势，提升抗应力破坏作用和稳定性。通过合理布局渠道、排水沟能够减少渠道基土中的含水量，提升渠道的输水性能。具体应结合当地冻土的季节性特征，进行渠道坡面的土体置换。主要是利用戈壁石、砂砾等具有非冻胀性能的材料，替换渠道边坡易冻胀破坏性能的材料，通常置换的厚度要达到最大冻土深度的2/3，灌区渠道冬季输水时，渠道冻胀部位主要是从下方1/3处向上转移并逐渐增高，达到渠道边坡板1/3处就会出现冻胀破坏。通过土体置换，渠道边坡混凝土衬砌板尽管会出现冻结，但是不具备冻胀的条件，随之会减少膨胀变形的情况，会减少对渠道边坡沉积板的破坏。

3.5 隔温及保温防冻胀措施

在设计渠道建筑物过程中，可以将疏水构建物埋入到冻土层以下，以达到深埋、深挖的目标，起到隔温、保温和预防土体冻胀的作用。具体来说，需要在渠道防渗混凝土衬砌层下部设置保温层。参考相似地区经验，用聚苯乙烯膨胀泡沫板（EPS）可以达到良好效果。设置保温层主要价值在于提升防渗性能，同时减少渠基土的冻胀情况。据相关研究发现，渠道混凝土衬砌体发生冻胀，整个渠道的渗水量，在地层铺设泡沫板之后要比不铺设泡沫版提升90%，冻胀破坏程度出现的可能降低70%，整体体现出保温效果好的特征。水管单位还可以在渠道两侧种植植被，通过根系防风固沙、涵养水源的作用，有效改善混凝土衬砌的土层性质，并利用根系的网络状增强土层稳定性，循环改善渠道运行水环境的微气候循环[6]。

3.6 合理利用施工技术与材料

渠道工程建设中，施工单位要根据《渠道防渗工程技术规范》明确砂砾、混凝土、沥青等不同材料的防渗渠道冻胀量，通过科学合理地利用防渗材料，以确保渠道工程具备良好的冻胀性能。在水渠修建的过程中，通过夯实基层土、设置封地层、进行主体置换和配合拦截加固等措施可以阻断水体和冻结层的接触。此外，在土壤中科学利用化学材料，可以改变土壤的物理和化学性能，提升土体的密實度，降低渗漏量，还可以提升基坑抵御破坏的能力，提升渠道的稳定性，如加入土壤防渗剂、土壤固化剂、光固添加剂和盐碱土改良剂等，都可以达到良好效果。

4 结语

在北方的冬季灌溉区，输水渠道的冰冻主要是由于气候条件造成的不利影响，所以需要全面提升监测水平，优化输水调度方案，合理利用施工技术与材料，进而全面提升冬季输水渠道防冰和防冻胀能力，保障当地的农业经济发展。

参考文献：

[1] 李鸣.吐鲁番市典型灌区输水渠道冬季冰盖多场耦合下力学响应特性分析研究[J].水利科技与经济，2020，26（7）：1-6.

[2] 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，2016，35（13）：147-148.

[3] 马光明.灌区冬季输水渠道防冰和防冻胀措施分析[J].农家科技，2019，15（8）：218.

[4] 王蕾.寒区灌区输水渠道运行管理若干问题及对策[J].水利规划与设计，2017，22（2）：82-83.

[5] 李纲，方忠鹏.青藏高原渠道（渡槽）冬季供水防冻保温的可行性分析[J].水利技术监督，2019，23（6）：73-79.

[6] 哈斯也提·依米提.水量调度在长距离输水渠道运行中的重要性[J].河南水利与南水北调，2020，49（5）：68-69.

（责任编辑：刘 昀）