淺談灌區(qū)冬季輸水渠道防冰和防凍脹措施

張秀萍

摘 要 在我國農(nóng)作物種植過程中，為了解決灌溉問題普遍興建農(nóng)田水利設(shè)施。然而在我國北方地區(qū)，冬季氣溫偏低會造成輸水渠道存在結(jié)冰問題，進而造成渠堤穩(wěn)定性差、滲漏損失多，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不利影響，因此需要切實做好防冰和防凍脹措施。以甘肅省金昌市為例，從灌區(qū)輸水渠道凍害的類型和表現(xiàn)入手，討論輸水渠道防冰和防凍工作存在的問題，及灌區(qū)輸水渠道的防冰和防凍脹措施。

關(guān)鍵詞 輸水渠道;防凍脹;灌區(qū);冬季;甘肅省金昌市

中圖分類號：S277;TV698.26 文獻標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.15.097

甘肅省地處我國西北內(nèi)陸，冬季受西伯利亞蒙古高壓影響，氣溫偏低、霜期長，當(dāng)?shù)?1月至次年3月均溫低于0 ℃，其中1月平均最低溫度為-14 ℃，致使該地區(qū)灌區(qū)輸水渠道出現(xiàn)結(jié)冰和冰凍問題。渠道內(nèi)水面出現(xiàn)浮冰或水面與坡面接觸層結(jié)冰后造成冰塞情況，嚴重影響了輸水性能，甚至造成渠道內(nèi)冰水混合物淤結(jié)導(dǎo)致某個或多個斷面整體堵塞，水流涌出渠體，對渠體外道路、農(nóng)田、村莊等設(shè)施和人身財產(chǎn)安全造成嚴重破壞。此外，在凍土地區(qū)渠道的混凝土防水層也容易受到冰凍影響，出現(xiàn)滲水和漏水現(xiàn)象，最終導(dǎo)致渠道水利用效率降低。因此，新時期需要結(jié)合冬季輸水渠道的運行特點，采取防冰和防凍脹的保護措施，全面提升渠道水資源利用效率，使其更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 灌區(qū)輸水渠道凍害的類型和表現(xiàn)

甘肅省金昌市冬季溫度低于0 ℃天氣較長，導(dǎo)致灌溉渠道出現(xiàn)較多的結(jié)冰和凍脹問題，具體表現(xiàn)在以下3個方面。

1.1 冰凍破壞

部分渠道在冬季輸水過程中，水面結(jié)冰情況較為普遍，特別是渠道水面和坡面接觸層被冰封之后，冰凍層會不斷加厚逐漸向水面中心合攏，導(dǎo)致水面升高，對渠道坡面的襯砌體產(chǎn)生巨大沖擊力，甚至造成混凝土襯砌體出現(xiàn)變形或者位移。此外，漂浮的水體表面冰塊不斷累積，導(dǎo)致渠道內(nèi)流水流通不暢，降低了輸水效率，更嚴重的甚至?xí)霈F(xiàn)全面封堵情況而形成冰壩，隨之造成水體從渠道兩側(cè)溢出，造成更大的安全隱患[1]。

1.2 凍融破壞

受到凍融特性的影響，在渠道混凝土防滲層內(nèi)部，孔隙水會導(dǎo)致襯砌層被破壞，由于渠道混凝土襯砌層具有吸水性特征，在長期的水環(huán)境下，防滲材料會存在一定水分，而材料在低溫環(huán)境下會結(jié)冰和體積膨脹。在孔隙水膨脹作用下，如果超出渠道襯砌混凝土材料強度，就會出現(xiàn)防滲材料變形和裂縫，在多次負溫循環(huán)影響下，材料的吸水性進一步加強，使得孔隙水膨脹，破壞性更加嚴重，隨之出現(xiàn)渠道混凝土襯砌材料凍融破壞。

1.3 凍脹破壞

在室外長期處于0 ℃下，渠基土?xí)霈F(xiàn)凍融、融沉等問題，會對渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)造成破壞，尤其是季節(jié)性凍土區(qū)的渠道，在長期低溫環(huán)境下，渠道基層土壤中含有的水分會結(jié)冰、體積膨脹，其膨脹壓力超出混凝土耐壓時，襯砌層會出現(xiàn)隆起破壞，甚至導(dǎo)致混凝土襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂、折斷。春季冰雪融化后，使得渠基土體結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性大大下降，嚴重時會導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑塌，對渠道輸水運行造成影響[2]。

2 輸水渠道防冰和防凍工作中存在的問題

2.1 安全監(jiān)測工作不到位

為了保證輸水渠道的穩(wěn)定性，降低冰凍災(zāi)害造成的損失，需要切實做好監(jiān)測工作，但部分地區(qū)在輸水渠道的安全監(jiān)測方面未能達到檢測要求，主要是由于監(jiān)測基礎(chǔ)設(shè)施不完善，加之主要采取人工記錄的方法，由此導(dǎo)致水位記錄、水滲漏情況、結(jié)冰數(shù)據(jù)的記錄不準確、不及時。此外，在防凍管理工作方面，信息化的建設(shè)較為緩慢，導(dǎo)致不能及時發(fā)現(xiàn)發(fā)生冰凍災(zāi)害的地點，影響了處理時間和效率。

2.2 排冰措施不完善

金昌市11月至次年3月，低于0 ℃環(huán)境下容易出現(xiàn)渠道結(jié)冰，所以，必須切實做好排冰工作，但部分渠段依然在該環(huán)境下輸水，缺少攔冰和防冰措施，導(dǎo)致冰凍災(zāi)害發(fā)生頻繁，出現(xiàn)閘門結(jié)冰情況，一些渠道和閘門排冰十分困難，進一步導(dǎo)致閘門開閉難度加大[3]。

3 冬季灌區(qū)輸水渠道的防冰和防凍脹措施

冬季輸水渠道出現(xiàn)凍融、冰凍、凍脹等破壞，主要與渠道和建筑物的結(jié)構(gòu)、溫度、土質(zhì)條件和養(yǎng)護措施存在關(guān)系，因此需要采取有效的防御措施消除其中不利因素，以降低或防止渠道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，進一步發(fā)揮出渠道的工程效益和經(jīng)濟效益。

3.1 強化冰情的動態(tài)監(jiān)測

在渠道工程建設(shè)過程中，做好動態(tài)監(jiān)測能夠及時發(fā)現(xiàn)問題。1）要制定科學(xué)的規(guī)章制度，加強巡查力度，推動冰情監(jiān)測工作的規(guī)范化開展，尤其是閘門渠道、干線容易出現(xiàn)冰凍災(zāi)害的地段，更要加大監(jiān)測力度。2）在監(jiān)測結(jié)果方面做好記錄，與同期歷史數(shù)值對比，以此分析冰情發(fā)展態(tài)勢。3）為了提升渠道防冰凍工作質(zhì)量，新時期可以利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)，如傳感技術(shù)的利用可以有效節(jié)約人力投入。4）水利等相關(guān)部門需要加強資金投入，推動信息化建設(shè)，尤其是重點渠道，更要加強對水位滲漏和變形等數(shù)據(jù)的采集，然后與歷史數(shù)據(jù)對比，進一步提升預(yù)測的準確性[4]。

3.2 優(yōu)化輸水調(diào)度方案

新時期，保障渠道安全性還需要優(yōu)化輸水調(diào)度方案，要求相關(guān)部門平衡好渠道水流量及結(jié)冰量的關(guān)系，在冰情時期控制輸水流量，冬季氣溫偏低時，通過提前停水，可以避免河道堵塞，當(dāng)氣溫逐漸回升時重新放水。若必須在冬季低溫期輸水，要根據(jù)多年輸水經(jīng)驗確定流量大小，同時盡量避免流量忽大忽小，保證流量穩(wěn)定，坡面結(jié)冰位置基本不變，以避免結(jié)冰范圍擴大。

3.3 確定冰害位置

當(dāng)前，冬季輸水運行渠道出現(xiàn)冰凍情況，主要集中在渠道干線分水口、電站進水閘及壓力前池，特殊年份冬季氣溫過低時，還會出現(xiàn)沿途坡面連續(xù)性結(jié)冰，整體體現(xiàn)出灌區(qū)渠道工程冰害位置的“一線多點”特征。對于渠道干線出現(xiàn)的冰害，在實際處理過程中，應(yīng)做好以下3個方面的工作。1）考慮輸冰運行及結(jié)冰蓋運行方式，后期流量不可大于前期流量，以有效降低結(jié)冰情況，減少冰凍對干線襯砌混凝土造成的破壞。2）在壓力前池、河進水閘等部位，主要是利用水力拉冰或者機械排冰的方法，減少結(jié)冰情況，降低破壞力。3）根據(jù)各地區(qū)經(jīng)驗，整體來講，渠道的岸冰不得高出40 cm，如果岸冰寬度達到或者超過40 cm，要利用人力疏導(dǎo)水力自身沖擊、打撈排冰、機械松動等方法清除，還要結(jié)合工程實際情況，在沿線選取合適位置，對排冰道合理布設(shè)，通過管理措施降低渠道內(nèi)的結(jié)冰情況，減少出現(xiàn)冰塞冰堵[5]。

3.4 優(yōu)化渠道結(jié)構(gòu)斷面

在預(yù)防渠道冰害過程中，需要對渠道斷面合理設(shè)計，如果渠道流量不足3 m3·s-1的小流速輸水渠道，可以設(shè)置成為輸水效率偏高、防凍性能較好的U型或者矩形斷面，進而通過渠道結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，提升抗應(yīng)力破壞作用和穩(wěn)定性。通過合理布局渠道、排水溝能夠減少渠道基土中的含水量，提升渠道的輸水性能。具體應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貎鐾恋募竟?jié)性特征，進行渠道坡面的土體置換。主要是利用戈壁石、砂礫等具有非凍脹性能的材料，替換渠道邊坡易凍脹破壞性能的材料，通常置換的厚度要達到最大凍土深度的2/3，灌區(qū)渠道冬季輸水時，渠道凍脹部位主要是從下方1/3處向上轉(zhuǎn)移并逐漸增高，達到渠道邊坡板1/3處就會出現(xiàn)凍脹破壞。通過土體置換，渠道邊坡混凝土襯砌板盡管會出現(xiàn)凍結(jié)，但是不具備凍脹的條件，隨之會減少膨脹變形的情況，會減少對渠道邊坡沉積板的破壞。

3.5 隔溫及保溫防凍脹措施

在設(shè)計渠道建筑物過程中，可以將疏水構(gòu)建物埋入到凍土層以下，以達到深埋、深挖的目標(biāo)，起到隔溫、保溫和預(yù)防土體凍脹的作用。具體來說，需要在渠道防滲混凝土襯砌層下部設(shè)置保溫層。參考相似地區(qū)經(jīng)驗，用聚苯乙烯膨脹泡沫板（EPS）可以達到良好效果。設(shè)置保溫層主要價值在于提升防滲性能，同時減少渠基土的凍脹情況。據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，渠道混凝土襯砌體發(fā)生凍脹，整個渠道的滲水量，在地層鋪設(shè)泡沫板之后要比不鋪設(shè)泡沫版提升90%，凍脹破壞程度出現(xiàn)的可能降低70%，整體體現(xiàn)出保溫效果好的特征。水管單位還可以在渠道兩側(cè)種植植被，通過根系防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源的作用，有效改善混凝土襯砌的土層性質(zhì)，并利用根系的網(wǎng)絡(luò)狀增強土層穩(wěn)定性，循環(huán)改善渠道運行水環(huán)境的微氣候循環(huán)[6]。

3.6 合理利用施工技術(shù)與材料

渠道工程建設(shè)中，施工單位要根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》明確砂礫、混凝土、瀝青等不同材料的防滲渠道凍脹量，通過科學(xué)合理地利用防滲材料，以確保渠道工程具備良好的凍脹性能。在水渠修建的過程中，通過夯實基層土、設(shè)置封地層、進行主體置換和配合攔截加固等措施可以阻斷水體和凍結(jié)層的接觸。此外，在土壤中科學(xué)利用化學(xué)材料，可以改變土壤的物理和化學(xué)性能，提升土體的密實度，降低滲漏量，還可以提升基坑抵御破壞的能力，提升渠道的穩(wěn)定性，如加入土壤防滲劑、土壤固化劑、光固添加劑和鹽堿土改良劑等，都可以達到良好效果。

4 結(jié)語

在北方的冬季灌溉區(qū)，輸水渠道的冰凍主要是由于氣候條件造成的不利影響，所以需要全面提升監(jiān)測水平，優(yōu)化輸水調(diào)度方案，合理利用施工技術(shù)與材料，進而全面提升冬季輸水渠道防冰和防凍脹能力，保障當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展。

參考文獻：

[1] 李鳴.吐魯番市典型灌區(qū)輸水渠道冬季冰蓋多場耦合下力學(xué)響應(yīng)特性分析研究[J].水利科技與經(jīng)濟，2020，26（7）：1-6.

[2] 張宇峰.灌區(qū)冬季輸水渠道防冰和防凍脹措施分析[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2016，35（13）：147-148.

[3] 馬光明.灌區(qū)冬季輸水渠道防冰和防凍脹措施分析[J].農(nóng)家科技，2019，15（8）：218.

[4] 王蕾.寒區(qū)灌區(qū)輸水渠道運行管理若干問題及對策[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2017，22（2）：82-83.

[5] 李綱，方忠鵬.青藏高原渠道（渡槽）冬季供水防凍保溫的可行性分析[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2019，23（6）：73-79.

[6] 哈斯也提·依米提.水量調(diào)度在長距離輸水渠道運行中的重要性[J].河南水利與南水北調(diào)，2020，49（5）：68-69.

（責(zé)任編輯：劉 昀）