灌區(qū)冬季輸水渠道防冰和防凍脹措施分析

張宇峰

摘 要：灌區(qū)冬季輸水渠道常由于冰害和凍脹破壞，造成渠系水利用效率低、滲漏損失多、渠堤穩(wěn)定性差滑塌嚴(yán)重等問題，為提高渠道輸水能力，強(qiáng)化渠道綜合防冰害和抗凍脹能力，合理選用與工程實踐相匹配的防冰和防凍脹措施，變得非常迫切。文章在對灌區(qū)輸水渠道凍害類型及特征進(jìn)行簡單闡述后，從優(yōu)化調(diào)度運行方案、隔水排水、隔溫保溫、優(yōu)選適應(yīng)凍脹變形材料等方面，對灌區(qū)冬季輸水渠道常用的防冰和防凍脹技術(shù)措施進(jìn)行了分析研究。

關(guān)鍵詞：渠道；冬季輸水；冰害；滲漏；凍脹破壞

中圖分類號：TU99 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）20-0147-02

陜西省地處西北內(nèi)陸腹地，冬季受冷高壓氣候控制，氣溫普遍較低，陜北地區(qū)甚至低于零下20 ℃以下，且持續(xù)時間普遍較長。輸水渠道在寒冷冬季容易由于冰凍結(jié)冰問題，形成水內(nèi)冰、浮冰和冰蓋等造成冰堵、冰塞等問題，不僅會影響渠道的整體輸水性能，同時還給輸水建筑物帶來較為嚴(yán)重的冰凍破壞[1]。另外，季節(jié)性凍土地區(qū)，渠道常采用的鋼筋混凝土剛性防滲層容易出現(xiàn)凍脹破壞，形成凍脹裂縫導(dǎo)致渠道滲水、漏水，引起渠道渠系水利用系數(shù)降低，水損嚴(yán)重。

因此，針對灌區(qū)冬季輸水渠道的運行特性，合理采取有效的防冰和防凍脹破壞的技術(shù)管理措施，增強(qiáng)渠道綜合防護(hù)性能，提高渠道渠系水利用效率，確保其安全可靠、節(jié)能經(jīng)濟(jì)運行，具有非常重要的工程實踐應(yīng)用研究意義。

1 灌區(qū)輸水渠道凍害的類型及特征

陜西絕大部分地區(qū)在冬季寒冷氣候影響下，其氣溫普遍降低到0 ℃以下，負(fù)溫環(huán)境下結(jié)冰、凍脹等將給混凝土剛性襯砌層帶來破壞作用，即對渠道防滲層帶來凍害。

1.1 冰凍破壞

對于冬季繼續(xù)輸水運行渠道而言，結(jié)冰會對渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)帶來破壞，即工程中的冰凍破壞。在負(fù)溫環(huán)境中輸水運行，渠道中的水體會不斷結(jié)冰，尤其是當(dāng)渠道水面被完全封凍后，冰凍層也會隨冰的積累而不斷加厚，這樣就會對渠道坡面的襯砌體產(chǎn)生較大的冰自重和膨脹壓力，會引起混凝土襯砌體發(fā)生移位或壓力變形。

另外，漂浮在水體表面的冰塊或冰屑會不斷積累形成冰蓋，減少渠道有效過水?dāng)嗝?，阻擋渠道水的正常流動，降低輸水效率，?yán)重時會由于水體表面全面封堵，形成冰壩，造成渠水出現(xiàn)漫溢等問題，給渠道帶來潰渠等安全隱患。

1.2 凍融破壞

渠道混凝土防滲層內(nèi)部存在的孔隙水由于凍融特性，會引起襯砌層發(fā)生破壞，即凍融破壞。渠道混凝土襯砌層其自身具有一定吸水性，且運行在常有水環(huán)境中，防滲材料中勢必會存在一定水分[2]。材料中的水分在負(fù)溫條件下，就會出現(xiàn)結(jié)冰體積膨脹，大約比原體積增大9%左右。這種孔隙水膨脹作用，一旦其應(yīng)力超過渠道襯砌混凝土材料的強(qiáng)度時，就會導(dǎo)致防滲材料產(chǎn)生形變出現(xiàn)裂縫，尤其是經(jīng)歷多個負(fù)溫循環(huán)后，材料吸水性更強(qiáng)，孔隙水膨脹破壞作用將會更嚴(yán)重，最終會引起渠道混凝土防滲襯砌材料出現(xiàn)表層剝落、凍酥等凍融破壞。

1.3 凍脹破壞

冬季負(fù)溫環(huán)境中，渠基土?xí)霈F(xiàn)凍融、融沉等問題，而對渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)造成凍脹破壞。季節(jié)性凍土區(qū)的渠道，其在冬季負(fù)溫條件下，渠基土中的水由于結(jié)冰而體積膨脹增大，當(dāng)膨脹壓力超過混凝土的耐壓時，襯砌層就會發(fā)生隆起等破壞。渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)由于凍脹性能出現(xiàn)開裂、折斷等問題。春季消融，導(dǎo)致渠基土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度大大降低，造成防滲襯砌混凝土發(fā)生破壞，嚴(yán)重時還可能引起這個襯砌結(jié)構(gòu)體發(fā)生滑塌等事故，影響渠道的正常輸水運行。

2 灌區(qū)冬季輸水渠道防冰和防凍脹措施分析

冬季輸水渠道發(fā)生冰凍、凍融和凍脹等破壞，主要取決于渠道建筑物結(jié)構(gòu)形式、土質(zhì)條件、負(fù)溫環(huán)境和養(yǎng)護(hù)措施[3]。合理采取有效的防護(hù)措施，抑制、改善或消除某種因素，則可以大大減輕或防止渠道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹破壞，確保渠道具有較高的輸水可靠性和經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 合理確定冰害位置，優(yōu)化調(diào)度運行方案

從大量理論研究和實踐工作經(jīng)驗可知，冬季輸水運行渠道，其冰情和冰害等主要發(fā)生在渠道干線、進(jìn)水閘、壓力前池等構(gòu)建物部位，即灌區(qū)渠道工程中的“一線多點”冰害位置。對于渠道干線可能產(chǎn)生的冰害，在實際運行過程中建議按照輸冰運行或結(jié)冰蓋運行方式進(jìn)行輸水運行，這樣可以降低結(jié)冰對干線襯砌混凝土的破壞；對于進(jìn)水閘、壓力前池等冰害部位，可以采取水力拉冰或機(jī)械排冰等措施，以減輕結(jié)冰程度，降低冰害破壞力。

渠道的岸冰應(yīng)控制在40 cm以內(nèi)，如果岸冰寬度接近40 cm或大于40 cm時，應(yīng)及時采取加熱、通氣、排冰、打撈、機(jī)械松動等措施進(jìn)行有效清除。應(yīng)根據(jù)工程實際情況，在渠首和沿線等合適位置處，通過優(yōu)化布設(shè)塘壩、排冰道等水工建筑物通過將冰凌存蓄、排除等措施，降低其在渠道內(nèi)部的結(jié)冰程度，以避免出現(xiàn)冰堵、冰塞等問題。

2.2 優(yōu)化渠道結(jié)構(gòu)斷面、換填置換邊坡土體

合理選用渠道結(jié)構(gòu)，對于渠道流量在3 m3/s及以下的小流量、小流速輸水渠道，應(yīng)優(yōu)選采用輸水效率較高、防冰凍性能較強(qiáng)的“U”型或矩形斷面，可以利用渠道自身結(jié)構(gòu)來有效提高其抗滑穩(wěn)定性和抗應(yīng)力破壞作用[4]。做到渠、路、溝的統(tǒng)籌規(guī)劃布置，合理設(shè)計方案可以有效降低渠床基土含水量，以確保整個渠道輸水具有較高安全可靠性。

應(yīng)根據(jù)工程區(qū)季節(jié)性凍土特性，將渠道坡面土體進(jìn)行置換處理，即：采用砂礫、戈壁石等具有較強(qiáng)非凍脹性能的材料，將渠道邊坡板下存在凍脹破壞特性的土料進(jìn)行置換處理，其置換厚度應(yīng)以工程區(qū)最大凍土深度的2/3為宜。灌區(qū)渠道冬季過水運行時，渠道凍脹部位將會從下1/3部分向上轉(zhuǎn)移，會出現(xiàn)明顯增高現(xiàn)象，大致在渠道邊坡板的中1/3部位處發(fā)生凍脹破壞。合理土體置換后，渠道邊坡混凝土襯砌板下負(fù)溫區(qū)土體雖會發(fā)生凍結(jié)，但由于置換后土體不具備凍脹性能，不會發(fā)生膨脹變形，相應(yīng)渠道邊坡襯砌板也就不會發(fā)生凍脹破壞。

2.3 隔溫和保溫防凍脹措施

在渠道建筑物設(shè)計過程中，可以將輸水構(gòu)建物深埋到工程區(qū)凍土層以下，以達(dá)到深挖、深埋的隔溫、保溫和防止渠基土發(fā)生凍脹破壞的效果。宜在渠道防滲混凝土襯砌層下設(shè)置保溫層，如采用EPS聚苯乙烯膨脹泡沫板等防滲保溫材料，一方面可以提高渠道綜合防滲性能，另一方面可以通過保溫層，降低渠基土的凍脹破壞性能。

據(jù)一些工程實踐統(tǒng)計資料表明：渠道混凝土襯砌防滲層底部增加泡沫板后，整個渠系水的滲漏量僅為不加泡沫板膜襯砌的1/10左右，且渠道發(fā)生的凍脹量和凍脹破壞程度也可以降低70%，防滲抗凍脹保溫效果較好，經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)越。

另外，可以在渠道兩邊適當(dāng)增加種樹綠化，通過根系組成的非凍脹性纖維層，一方面可以改善混凝土襯砌的基土性質(zhì)，可以利用樹根系組成網(wǎng)格狀土層結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)渠道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時可以利用樹木形成的“植物-空氣-水”循環(huán)，改善渠道運行水環(huán)境的微氣候循環(huán)，達(dá)到有效的保溫和防凍脹效果。

2.4 合理選用工程材料，提高工程防凍脹效果

在《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》（SL18-2004，GB/T50600

-2010）中，明確規(guī)定了不同材料防滲渠道的允許凍脹量（砌石為1.0～3.0 cm；混凝土為0.5～2.0 cm；瀝青混凝土為3.0～5.0 cm），通過合理選用適應(yīng)的防滲材料可以確保渠道工程具有較好的凍脹性能。

另外，還可以通過渠基土夯實、防滲層下設(shè)置深淺兩層封閉層、土體置換、植樹固堤等工程過水，通過加固、攔截等措施，阻斷凍結(jié)層水源補給，隔熱保溫提高渠道綜合防凍脹性能。

2.5 合理使用化學(xué)添加劑，增強(qiáng)渠道防凍脹性能

通過在土壤中合理使用化學(xué)材料，來改善土壤的物理化學(xué)性能，達(dá)到增強(qiáng)土體密實度降低渠道渠系滲漏量；增加基土抗破壞變形能力，提高渠道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，如：土壤防滲劑、光固添加劑、土壤固化劑、鹽堿土改良劑等，有效阻止渠系水通過基土滲漏，增強(qiáng)基土強(qiáng)度，增強(qiáng)其抵御凍脹破壞的能力，改良土壤物理化學(xué)性狀，達(dá)到防止凍脹破壞的目的。

3 結(jié) 語

北方灌區(qū)冬季輸水渠道發(fā)生冰害和凍脹，是必然的自然氣象。為了有效提高渠道的綜合防滲和抗凍脹性能，結(jié)合工程實際，合理選擇技術(shù)優(yōu)越、經(jīng)濟(jì)合理的方案顯得尤為重要。要準(zhǔn)確掌握渠道基土凍脹特性參數(shù)，按照“適應(yīng)、削減凍脹”原則，因地制宜選擇合適渠道結(jié)構(gòu)和襯砌方式，并加強(qiáng)渠道冬季運行的巡視管理力度，合理選擇土壤改良化學(xué)添加劑等技術(shù)措施，有效減輕或防止渠道凍脹破壞，將渠道凍脹破壞有效控制在防滲材料允許范圍內(nèi)，提高渠道綜合防冰和防凍脹性能，延長防滲結(jié)構(gòu)綜合使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 楊利紅，崇巖峰.淺議渠道防凍脹處理方法[J].海河水利，2013，（3）.

[4] 馮廣志，周福國，季仁保.渠道防滲襯砌技術(shù)發(fā)展中的若干問題與建議 [J].節(jié)水灌溉，2004，（5）.