渠道防滲工程設計及凍害防治研究

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【摘要】混凝土渠道因裸露面積大，長時間與水接觸，容易受到凍脹破壞，在我國北方地區，由于水資源缺乏，混凝土渠道是提高水資源利用率、防止水分下滲流失的重要基礎設施，在冬季溫度極低的情況下混凝土渠道仍然擔負著輸水任務，因此凍害現象十分普遍，影響了工程效益的發揮。本文結合新疆塔里木河流域某大型灌區續建配套與節水改造項目中的混凝土渠道的運行情況對渠道混凝土凍害產生的原因作了分析，提出了渠道工程防止凍害的具體措施。

【關鍵詞】混凝土渠道;防滲工程;設計要點;凍害防治

1概述

混凝土渠道具有防滲效果好、運行安全等特點，在北方河流區域綜合治理和大型灌區配套與節水改造工程項目中起到了提高水資源利用率，改善自然環境，節約用水的作用。但是由于混凝土受風化作用的影響比較大，在輸水過程中容易因溫度過低而導致混凝土結構的破壞。

2混凝土渠道產生凍害的原因分析

混凝土凍害的產生一方面與溫度有關，另一方面與混凝土結構本身成分有關。混凝土主要成分是砂石、水泥和水，這些材料根據一定的比例組合而成，由于這些建筑材料吸水性較強，而且韌性低、較脆，在輸水過程中長期處于水中，水分會因混凝土結構的吸水性而滲入結構中，在冬季氣溫低于0℃時混凝土結構中的水分體積會膨脹，經過多次凍脹和融化使混凝土結構發生破壞。從凍脹應力角度來看，混凝土渠道的凍害形式主要有以下幾種。

2.1鼓脹和裂縫

在秋冬溫度較低的季節，當氣溫下降至0℃以下時，由于渠道內基土含有水分，混凝土與渠道基土會因水的凝固而凍成一個整體，混凝土結構同時承受著凍結力、凍脹力和混凝土結構本身因熱脹冷縮所產生的拉力，當這些應力超過了混凝土在低溫環境下承受力的上限時混凝土板塊就會出現裂縫。

2.2架空隆起

塔里木河流域的很多渠道工程因天山雨雪融化下滲，地下水豐富、地下水位較高，當冬季低溫時混凝土板與渠道基土凍成一個整體，基土中豐富的水分在凝固時膨脹，對混凝土板產生一種隆起、架空的力量，這種現象一般出現在坡腳或者渠底中部等地段，當隆起架空力量超過混凝土板承受能力時混凝土結構會發生破壞。

2.3滑塌

滑塌的出現有兩個方面的原因:由凍脹引起混凝土板架空隆起時會破壞坡腳基土的支撐能力，混凝土板的墊層會失去穩定性，當基土內的水分開始融化時體積縮小，基土與混凝土板塊之間出現空隙，混凝土板塊會因為下部架空而沿著空隙下滑錯位。渠坡基土在溫度升高時，由于結冰融化失去支撐作用而導致渠坡基土出現大面積滑坡，致使坡腳的混凝土被推開而滑塌。

3混凝土渠道防滲工程設計要點

3.1合理選擇渠道混凝土的結構型式

合理選擇結構型式是做好混凝土防滲渠道設計的第一步，也是基礎性工作。防滲渠道的設計要根據灌區面積、作物布局、地下水位以及渠道地形和土壤條件等因素，確定渠道的斷面尺寸。渠道的斷面型式對渠道的強度、渠道的整體性和使用年限有直接影響。目前，我國大部分混凝土防滲渠道都采用U形斷面，該渠道混凝土板由專門的U形板成型機預制。該結構型式具有整體性好、強度高、各部位受力均勻、裂縫產生的可能性低、施工勾縫少、斷面尺寸小、占地少等特點，施工方便，防凍脹效果好。U形防滲渠道一般采用單層護面襯砌，在混凝土板之間設置橫向連接縫，可增強混凝土渠道強度和整體性，提高防凍能力。在防滲渠的頂部設置15～30cm的土壤頂板，能夠有效防止雨水滲入渠基帶走泥沙而破壞渠底。

3.2防滲防凍害設計

混凝土渠道的凍害程度及破壞力與渠道基土凍結時水分的遷移情況和凍脹力大小有關，這些作用又取決于當地土質、土壤的含水量、溫度和工程結構，因此，對這些可能導致混凝土渠道凍害的因素采取措施能有效防止混凝土凍脹破壞。防止混凝土渠道發生凍害主要從兩個方面采取措施:避免凍脹出現;削減凍脹。

3.3避免凍脹

在混凝土渠道線路的防滲規劃設計中為避免凍脹出現，要盡量避開凍脹出現可能性較大的地區和凍脹性土區，盡量避免凍脹對混凝土渠道的作用。具體來講，盡量避開結構松散的土層、淤泥沼澤以及地下水位過高的地段，要選擇不易產生凍脹的透水性強或者地下水位較低的地段;盡量采用填方渠道;盡量選擇地形較高的脊梁地帶規劃渠道線路;加強對有滲水和地面回水地段排水設施的建設;在渠道兩側設置林帶，種植一些根系發達的樹木，如柳樹，通過根系改善渠道基土環境，防止凍害發生。

3.4削減凍脹

對于一些凍脹無法避免又不能改變線路的渠道應盡量采取削減凍脹的措施，降低渠道混凝土結構的凍害概率，將渠道基土的最大凍脹力通過人工手段削減至混凝土板塊所能承受的范圍內。具體做法如下:換填法，即在冬季土壤凍結能夠影響到的深度內將混凝土板塊下的凍脹性土壤換成非凍脹性材料的方法;隔熱保溫法，即在混凝土板塊的背后布設一層保溫材料，通過材料的隔熱作用降低冬季低溫對基土的作用，并且相應地減少換填層的深度，從而阻擋換填層下層土壤水分的補給，減輕渠道基土的凍深和凍脹力;沖擊壓實法，該方法在填土路基中應用較為廣泛，在渠道基土工程中通過對基土進行沖擊壓實增加基土的干密度，降低基土的孔隙率和透水性，在冬季低溫時能夠阻擋水分的遷移和聚集，達到削減甚至消除凍脹的效果。

3.5設計要點

防滲渠道的斷面型式除了U形外，常見的還有矩形、梯形(包括弧形底梯形、弧形坡腳梯形)和復合型等，這些斷面型式由于適應凍脹變形能力比較強，能在一定程度上減輕凍脹帶來的損害。根據甘肅省靖會電灌總干渠試驗段的觀測，弧形底部受到不均勻凍脹導致的折角變形平均為0.18°，梯形平底折角變形平均為4.5'，弧形斷面能夠很大程度地減輕凍脹開裂和邊坡結冰消融時導致的滑塌破壞。防滲渠道的斷面尺寸根據水力計算確定，梯形和矩形斷面一般選擇經濟斷面，地下水位較高的地方可以選擇寬淺式斷面，確定斷面尺寸后要對渠道的平均流速進行校核，使平均流速滿足不沖不淤的要求。渠道防滲設計在考慮防滲要求的同時還要注意地基的穩定性問題，要綜合考慮防滲、防凍脹、防基土變形及防土壤鹽堿化，在采用新技術時要結合當地的實際情況，使工程設計在滿足技術先進的基礎上做到切合實際、經濟合理、施工方便、運行安全及經久耐用。

4混凝土渠道防凍害的管理與維護措施

4.1做好用水管理

混凝土渠道在灌溉時要根據渠道的水源、供水量、農作物需水量、渠道運行狀況等合理編制調配水計劃，防止盲目用水造成水資源浪費，避免過度用水導致水位超過混凝土板塊而進入邊坡滲入地下，使渠道基土被水沖刷導致混凝土板塊架空造成冬季凍脹損害。

4.2加強混凝土渠道的維護管理

混凝土渠道安全運行離不開日常的維護管理，因此，要加強對混凝土渠道運行狀況的觀測，以便第一時間發現隱患并及時排除。在輸水過程中要對水流情況進行觀測，在停止輸水期間要對區內進行檢查。如發現有障礙物阻擋水流，渠道混凝土結構有裂縫和漏水，混凝土結構表面有剝離、磨損、汽蝕現象，板塊與板塊之間的接頭脫落，伸縮縫內的填充物流失，要在第一時間進行處理和修復，防止問題隨著輸水時間增加而越來越嚴重。

4.3加強冬季管理

冬季是渠道混凝土凍害發生的主要時段，混凝土結構一旦發生凍脹破壞就會縮短渠道的使用壽命，因此必須要加強冬季渠道的管理，具體如下:冬季渠道輸水灌溉必須要在日平均氣溫高于0℃時進行，防止渠道內水分結冰導致混凝土結構發生凍脹破壞;冬季降雪融化后要及時將積水排出渠道，防止雪后結冰破壞混凝土體;要做好日常檢查工作，冬季氣溫低，風化程度加大，即使晴天也會對渠道混凝土造成影響，在冬季，晝夜溫差大，混凝土結構吸熱效果好，容易導致混凝土表面溫度過高而底部溫度過低，形成較大溫差，使混凝土結構發生變形破壞，因此，要加強日常檢查，發現問題及時處理，防止渠道內的水分深入渠基土反復凍融破壞防滲體;渠道周邊的農田要在氣溫下降到0℃以下前半個月結束灌水，防止渠道基土因含水量過高引起混凝土體凍脹破壞。

5結語

混凝土渠道在我國北方十分常見，而冬季氣溫低，凍害成為影響混凝土渠道使用的最主要因素，因此，在渠道設計過程中要盡量避免冬季凍害對渠道混凝土造成的損害，在日常使用過程中要加強渠道的檢查，做好日常維護管理，使渠道能夠最大程度地發揮經濟效益。

作者:李佳綸 單位:水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院

參考文獻

［1］許廣鑫．我國渠道工程防滲技術的應用探討［J］．科學之友，2010(18):3-4．

［2］王冬梅．渠道襯砌的凍害和濕陷防治探討［J］．中國水運(下半月)，2010(5):2-4．