水利灌溉系統(tǒng)工程的防凍措施探析

陳海鋒

摘 要：北方內(nèi)陸地區(qū)氣候干燥、降雨稀少，大部分地區(qū)都需要人工灌溉以補(bǔ)充農(nóng)作物水分需求，因此，水利灌溉系統(tǒng)工程的修建較為廣泛。然而冬季氣溫較低，嚴(yán)寒氣候往往會給灌溉系統(tǒng)造成嚴(yán)重凍害，破壞灌溉系統(tǒng)工程中的渠道及建筑物。本文結(jié)合北方氣候特征和工作經(jīng)驗，淺談幾種較為常用的水利灌溉系統(tǒng)工程的防凍措施，以保護(hù)灌溉系統(tǒng)中渠道和建筑物安全。

關(guān)鍵詞：水利；灌溉系統(tǒng)；防凍措施；探析

中圖分類號：S607 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

我國地處亞歐大陸東部，國土面積遼闊，東西跨和南北跨幅度較大，除南方及東南沿海地區(qū)氣候溫暖、降水豐沛之外，廣大內(nèi)陸地區(qū)尤其是高原及北方地區(qū)，降水相對稀少，農(nóng)作物在春秋旱季需要人工灌溉以補(bǔ)充水分，因此，水利灌溉系統(tǒng)工程的保護(hù)對北方農(nóng)業(yè)而言意義重大。但北方及高原地區(qū)冬季氣溫十分寒冷，往往會出現(xiàn)嚴(yán)重凍害，水利灌溉系統(tǒng)工程中的渠道和建筑物如果不加以保護(hù)的話，極易遭到凍融的破壞，從而影響灌溉設(shè)施來年的正常使用。本文論述了研究灌溉系統(tǒng)工程防凍措施的必要性和可行性，提出4種常用且有效的防凍措施，以解決北方寒冷地區(qū)灌溉系統(tǒng)工程的防凍難題。

1 水利灌溉系統(tǒng)防凍的必要性

1.1 凍害嚴(yán)重，水利灌溉系統(tǒng)工程易造成嚴(yán)重破壞

我國大部分農(nóng)田灌溉地區(qū)處在北方或西部內(nèi)陸地區(qū)，冬季氣候干燥寒冷，會積累厚厚的凍土層，對水利灌溉系統(tǒng)工程的破壞非常嚴(yán)重。如果在冰凍發(fā)生之前沒有做好相應(yīng)的保護(hù)措施，冬天的時候灌溉渠道內(nèi)的基土凍脹問題將十分嚴(yán)重，對混凝土預(yù)制塊襯砌板的破壞非常嚴(yán)重，使得灌溉渠道使用壽命急劇縮短。灌溉渠道破壞之后需要維修乃至重新修建，不僅會造成水利工程運(yùn)行成本的全面提升，也影響農(nóng)業(yè)正常的灌溉用水。

1.2 需求迫切，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對灌溉系統(tǒng)工程依賴性強(qiáng)

降水量分布差異在我國各地區(qū)之間表現(xiàn)尤為明顯，南方地區(qū)雨量充沛，農(nóng)作物種植基本上不需要灌溉，而北方地區(qū)及內(nèi)陸地區(qū)則降水稀少，農(nóng)作物的水分補(bǔ)充主要依靠水利工程灌溉。如果水利灌溉系統(tǒng)工程遭受破壞不能正常使用，對農(nóng)作物的健康成長將會產(chǎn)生巨大影響。需要灌溉的地區(qū)又大多處在冬季氣候寒冷的地區(qū)，凍害嚴(yán)重，而農(nóng)業(yè)用水對水利灌溉工程需求迫切，要求必須對修建的水利灌溉系統(tǒng)工程采取必要的防凍措施，避免因凍害破壞了灌溉系統(tǒng)，以保障每年春旱來臨之時農(nóng)作物能夠得到正常灌溉。

2 水利灌溉系統(tǒng)防凍的主要類型

2.1 防滲漏材料出現(xiàn)凍融問題

灌溉渠道的修建為了避免后期使用過程中水分大量滲漏到地下，所以一般會在渠道砼襯砌塊下面覆蓋防滲漏材料。這種材料具有一定的吸水性，在冬季來臨時，長期的負(fù)溫度環(huán)境將造成防滲材料所吸附水分形成冰體。水凝結(jié)成冰之后體積膨脹并給防滲材料造成一定破壞。每個溫度循環(huán)都會使得防滲材料的破壞更嚴(yán)重一些，直至完全無法繼續(xù)使用。

2.2 防滲渠道中的水體出現(xiàn)結(jié)凍問題

灌溉渠道的存在不僅是為了輸水，同時也有一定的儲水功能。寒冷天氣來臨時，灌溉渠道內(nèi)的儲水就會全部結(jié)成冰塊，整體結(jié)冰之后體積出現(xiàn)膨脹，對兩邊的灌溉渠砼襯砌體形成擠壓，使得砼襯砌體在應(yīng)力的作用下發(fā)生位移，逐步被破壞變形。灌溉渠內(nèi)的儲水結(jié)冰是破壞灌溉渠一個重要原因，必須采取一定的措施加以應(yīng)對，對灌溉渠外壁施加一定保護(hù)，避免冰凍對灌溉渠的破壞。

2.3 灌溉渠道基土發(fā)生凍融問題

灌溉渠的建設(shè)雖然使用了一定的防滲材料，但水分依然會在一定程度上下滲到砂礫石墊層和基土層，而且就算水分不下滲，基土層內(nèi)依然是含有一定水分的。寒潮來臨、氣溫驟降，基土和砂礫石墊層會發(fā)生凍脹，直接向內(nèi)部擠壓灌溉渠，使襯砌斷面發(fā)生位移；春季氣溫上升，基土逐漸融化，砂石墊層和基土發(fā)生沉降，再次造成破壞。無論是防滲襯砌體還是混凝土外壁都會受到這種凍脹的破壞，出現(xiàn)裂縫、變形等問題。如何有效避免凍融給灌溉渠帶來的破壞，是保護(hù)灌溉系統(tǒng)工程的重要內(nèi)容。

3 水利灌溉系統(tǒng)防凍的主要措施

3.1 合理優(yōu)化襯砌體結(jié)構(gòu)

砼襯砌體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以減少凍脹發(fā)生之后對襯砌體的破壞力，從而達(dá)到保護(hù)砼襯砌體的目的。該種措施有較強(qiáng)的抗凍脹能力，且不會增加施工建設(shè)成本，為渠道建設(shè)的首選辦法。優(yōu)化襯砌體結(jié)構(gòu)主要有U型襯砌體、弧底梯形復(fù)合襯砌和平底弧角梯形襯砌3種結(jié)構(gòu)。這3種結(jié)構(gòu)都較好地規(guī)避了凍脹對襯砌體的應(yīng)力作用。實驗表明，U型結(jié)構(gòu)相比較混凝土防凍脹來說具有更好的優(yōu)越性，效果也更好。但是在凍脹的作用下，U型渠側(cè)墻依舊會出現(xiàn)嚴(yán)重變形并產(chǎn)生裂縫，使得相應(yīng)的結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重?fù)p毀。而弧底梯形復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)中，雖然受力上較為均勻，但直線邊坡容易出現(xiàn)變形坍塌，抵抗凍脹能力一般。平底弧角梯形襯砌是當(dāng)前采用較為廣泛的一種結(jié)構(gòu)，相比較其他2種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在受力上最為均勻，抗凍脹效果最好，因此在灌溉渠修筑中推薦使用該種襯砌結(jié)構(gòu)。

3.2 采用膜料復(fù)合襯砌法

采用襯砌結(jié)構(gòu)的主要目的就是防止灌溉渠內(nèi)的水滲漏，普通的防滲漏材料雖然能夠較好地滿足防滲漏要求，但并不能完全避免水的下滲，而下滲水會造成水分的嚴(yán)重流失，對嚴(yán)重缺水的內(nèi)陸地區(qū)而言，這無疑是一種巨大浪費(fèi)。此外，水分下滲還會造成防水材料及砂礫石墊層和基土中的水分過多，冬季水分凍結(jié)膨脹使砼襯砌結(jié)構(gòu)和灌溉渠出現(xiàn)變形、裂縫或者邊壁脫落等問題。因此，尋找更好的防滲材料，避免水分下滲無疑是非常重要的。在這里，推薦使用膜料復(fù)合襯砌法，即在襯砌體內(nèi)合理的添加PE復(fù)合土工模，一般可減少滲漏量90%以上，是目前得到普遍推廣應(yīng)用的高分子聚合物防滲材料，具有抗拉強(qiáng)度高、防滲性能好、變形能力強(qiáng)、質(zhì)量輕、施工方便、造價低等優(yōu)點，有一布一膜、二布一膜等。PE復(fù)合土工膜具有良好的隔水性，可以有效避免水分下滲，從而保護(hù)灌溉渠外壁免受凍脹之害。

3.3 對基土施加適當(dāng)?shù)谋卮胧?/p>

基土是保障灌溉渠完整的基礎(chǔ)。如果基土受到損害或者出現(xiàn)凍脹情況，首先受到影響的必然是灌溉渠，而且這種影響最為嚴(yán)重，因此保證基土的穩(wěn)定對保護(hù)灌溉渠有著重要意義。我國內(nèi)陸地區(qū)尤其是西北地區(qū)，凍土層較厚，春季凍土融化地冬季凝結(jié)，這種狀況下灌溉渠很難得到良好的保護(hù)。為了避免基土出現(xiàn)凍脹問題影響到灌溉渠，可以利用現(xiàn)代科技為基土進(jìn)行保溫。實驗表明，使用新材料聚苯乙烯泡沫塑料板對基土進(jìn)行敷設(shè)可以起到較好的保溫效果。目前，基于聚苯乙烯泡沫塑料板良好的保溫性，在西北部內(nèi)陸地區(qū)的灌溉渠修建中已經(jīng)得到部分的推廣應(yīng)用，同時配合基土的換填，能夠收到更好的防凍脹效果。

3.4 使用弱凍脹性土更換基土

基土之所以出現(xiàn)凍脹，主要原因在于基土中含有較多的水分，如果能夠使用含水量較低的砂礫石或沙土進(jìn)行基土換填，將能夠較好地解決基土凍脹問題。根據(jù)部分地區(qū)的實踐效果來看，采用粗砂、砂礫等水分含量極低的沙土作為基土，是適應(yīng)性和操作性都比較理想的凍脹防治辦法。但是不同地區(qū)出現(xiàn)凍脹的程度不同，而且在不同的地質(zhì)條件下凍脹問題也有所不一，因此在進(jìn)行基土換填時還要因地制宜地確定更換的厚度和方法。由于灌溉渠底部和陰坡陽坡受凍脹影響程度不一樣，也需要在實踐中實事求是，有差異地進(jìn)行對待。

4 結(jié)語

廣大北方內(nèi)陸氣候寒冷，冬季出現(xiàn)冷凍天氣時間較長。本文結(jié)合凍害發(fā)生的特性主要介紹了4種防止水利灌溉系統(tǒng)工程發(fā)生凍害的措施，以期在實際應(yīng)用中，能夠?qū)喔认到y(tǒng)切實起到防凍的良好效果，保護(hù)灌溉系統(tǒng)免遭凍融破壞，以促進(jìn)北方地區(qū)農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，保障糧食作物健康生長。

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