灌區(qū)渠道防凍技術(shù)改進(jìn)研究

張子財(cái)（綏中縣水土保持局，遼寧綏中125200）

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灌區(qū)渠道防凍技術(shù)改進(jìn)研究

張子財(cái)
（綏中縣水土保持局，遼寧綏中125200）

［摘 要］文中在分析渠道防凍措施現(xiàn)狀及基體凍脹原理的基礎(chǔ)上，提出了采用現(xiàn)澆混凝土邊坡與柔性渠底配合、膨潤(rùn)土防水毯與土料保護(hù)層配合、混凝土邊坡與適應(yīng)變形截面形式配合等三種渠道襯砌改進(jìn)措施，以期為解決遼寧省灌區(qū)渠道季節(jié)性凍脹問題，提高渠系水利用系數(shù)及延長(zhǎng)渠道工程的使用壽命進(jìn)行有益的探索。

［關(guān)鍵詞］遼寧??；渠道凍脹；技術(shù)改進(jìn)

1　引言

遼寧省是水資源嚴(yán)重緊缺的省份，人均水資源量?jī)H相當(dāng)于全國(guó)人均的1/3，世界人均的1/12，水資源已成為全省國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的制約因素［1］。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，遼寧省糧食作物播種面積約322.6萬hm2，基本為季節(jié)性凍土。近5年來，全省年均總用水量219.2億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量為142.8億m3，占比高達(dá)65.1%。與發(fā)達(dá)國(guó)家與南方發(fā)達(dá)省份相比，遼寧省灌溉技術(shù)相對(duì)落后導(dǎo)致的灌溉效率低下、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問題日益凸顯，特別是由凍脹導(dǎo)致的滲漏等問題不僅直接影響渠道的正常使用，浪費(fèi)了水資源，而且增加了運(yùn)行管理難度和工程修復(fù)費(fèi)用，如何防治襯砌渠道的凍脹破壞，成為一個(gè)遼寧省水利工作中非常突出的工程問題［2］。因此，深入研究渠系的凍脹問題，提高遼寧省渠道抗凍脹能力與灌溉水利用效率具有重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)渠道凍脹問題開展了大量開創(chuàng)性的研究，取得了一定有意義的研究成果，總起來說，解決凍脹問題主要包括以下幾個(gè)方面。第一，抗——使用鋼筋混凝土功能板代替砌塊砂漿組合的傳統(tǒng)工藝，增加渠道的整體性和抗壓強(qiáng)度；第二，隔——在渠道與基體之間增加苯板等保溫材料，減小溫度變化對(duì)渠道造成的破壞；第三，換——將與渠道接觸的一定范圍內(nèi)凍脹性土體用砂石換填，降低基體凍脹性。實(shí)際操作中，往往根據(jù)實(shí)際情況綜合運(yùn)用以上方法，可以取得較好的效果，但是，由于受資金等因素限制，使得渠道工程投入與收益之間存在較大矛盾，加之各地區(qū)環(huán)境差異大，施工水平參差不齊，很難保證達(dá)到預(yù)期效果和使用年限。針對(duì)以上因素，將在研究?jī)雒浽硪约斑|寧省渠道凍脹現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出運(yùn)用新型材料和截面形式等改進(jìn)措施，提高渠道的抗凍脹能力。

2　基體凍脹原理與影響因素

2.1基體凍脹原理

基體凍脹本質(zhì)上是由土體中游離水在溫度降低到冰點(diǎn)以下時(shí)凝結(jié)為冰晶，導(dǎo)致體積增大并且不斷累積，最終導(dǎo)致襯砌破壞的過程。

就遼寧省而言，自11月起開始陸續(xù)出現(xiàn)局部結(jié)冰，隨后降溫速度逐步加快，由表及里逐步結(jié)凍至極限影響深度。尤其是在灌區(qū)渠道附近，由于防滲措施不力，土壤中存在大量自由水，使得這一過程更加迅速，后果更加嚴(yán)重，如圖2所示。自20世紀(jì)70年代起，各國(guó)學(xué)者結(jié)合土力學(xué)和流體力學(xué)有關(guān)原理，在分析凍脹破壞效果領(lǐng)域逐漸形成了毛細(xì)理論、第二凍脹理論和吸附力理論，為實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用提供了理論保障［3］。近年來，這些理論逐步趨于統(tǒng)一，得到廣大科研工作者的認(rèn)可。

2.2渠道凍脹影響因素

渠道凍脹過程較為復(fù)雜，涉及多方面的因素，經(jīng)過分析總結(jié)，可以得到以下幾點(diǎn)影響凍脹效果的主要因素［4］：

1）土體粒徑與級(jí)配：粒徑處于0.005～0.05 mm，級(jí)配較好的粉土土粒與水分子之間既存在較強(qiáng)的相互作用力，同時(shí)又具有良好的滲透性，便于水分遷移凝結(jié)，容易造成較大的凍脹破壞，不同土類的凍脹量順序?yàn)椋悍圪|(zhì)粘土大于壤土大于砂壤土大于重粘土大于砂礫土。

2）水分溫度。土質(zhì)與水分溫度是凍脹破壞的必要條件，較為豐富的孔隙水和反復(fù)凍融容易產(chǎn)生更大的結(jié)晶體。

3）土體密度及附加荷載。二者本質(zhì)上原理相同，最終均反映在微觀土粒與水的相互作用上，對(duì)于不同土質(zhì)而言，土體密度對(duì)凍脹影響比較明顯。

4）渠道走向。渠道走向直接影響不同部位受光照和風(fēng)吹的影響大小，導(dǎo)致凍脹范圍和深度不同，從而產(chǎn)生不均勻性。

5）渠道襯砌形式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，不同截面形式的襯砌抵抗破壞的能力不同，相對(duì)而言，因?yàn)槔饨翘幦菀桩a(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，所以帶有曲線弧度的形式抵抗能力更強(qiáng)。

3　渠道防凍技術(shù)改進(jìn)措施

參考遼寧省灌區(qū)渠道以往凍害研究可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的單一解決方案通常難以取得良好效果，時(shí)常面臨“邊修邊壞，永無止境”的尷尬局面，每年需要大量資金投入到凍脹修繕工作中，造成極大浪費(fèi)。上述原理分析的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用幾種改進(jìn)方案，以期較為有效的解決遼寧省灌區(qū)渠道凍脹問題。

3.1現(xiàn)澆混凝土邊坡與柔性渠底配合

相對(duì)于砌體而言，混凝土板具有整體性好、抵抗力強(qiáng)的特點(diǎn)，尤其是級(jí)配良好、加入外加劑的防水混凝土，在減少滲漏流失的同時(shí)，可以極大的減小凍脹損害。當(dāng)?shù)叵滤惠^高，超過渠底時(shí)，采用如圖1所示組合結(jié)構(gòu)，由于長(zhǎng)時(shí)間處于凍融交替環(huán)境中，保溫板容易遭到永久性破壞而喪失功能性，所以邊坡并不建議采用此方法。相較之下，運(yùn)用較厚且成本較低的換填料取代原有基體，可以有效降低凍融過程中體積變化，加之混凝土中配置適量鋼筋，使邊坡的抵抗能力更強(qiáng)。渠底雷諾護(hù)墊填充礫石的優(yōu)點(diǎn)是防沖刷、排水性能良好，變形適應(yīng)性強(qiáng)，在大中型渠道中應(yīng)用可以取得較為理想的效果。當(dāng)?shù)叵滤惠^低，處于渠底以下時(shí)，采用如圖2所示組合結(jié)構(gòu)，預(yù)制混凝土板+膜料+保溫板配合使用可以在取得良好保溫防滲效果的同時(shí)，減小土方施工量和混凝土澆筑所需的人、機(jī)、料成本，同時(shí)節(jié)約大量施工時(shí)間。渠底膜料上覆保護(hù)層在防滲和放凍脹方面同樣可以取得良好效果。

圖1　現(xiàn)澆混凝土+換填料+透水材料

圖2　現(xiàn)澆混凝土+膜料+保溫材料+土料保護(hù)

3.2膨潤(rùn)土防水毯與土料保護(hù)層配合

圖3所示結(jié)構(gòu)為膨潤(rùn)土防水毯上覆土料保護(hù)的結(jié)構(gòu)，在渠道規(guī)模較大，且可能遭受不是非常嚴(yán)重凍脹災(zāi)害地區(qū)，由于工序復(fù)雜程度較低，采用這種方法可以實(shí)現(xiàn)縮短工期，減少因施工水平限制而引起的工程缺陷等。另一方面，相比于現(xiàn)澆混凝土施工，這種方法可以在大幅度降低成本開銷的同時(shí)，取得較為理想的防凍脹效果。

圖3　膨潤(rùn)土防水毯+土料保護(hù)層

3.3混凝土邊坡與適應(yīng)變形截面形式配合

從上文中分析可知，與梯形相比，弧形截面可以抵抗更大的凍脹應(yīng)力，不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成破壞，實(shí)際應(yīng)用中卻因?yàn)槟０?、測(cè)量精度等無法滿足要求而很少采用。但是，適當(dāng)?shù)膶⒍呓Y(jié)合起來運(yùn)用卻可以兼蓄各自的優(yōu)點(diǎn)。如圖4所示的弧形坡腳梯形截面以及圖5所示的弧形底梯形截面，都能夠在做好防滲工作的基礎(chǔ)上，利用自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)獲得更大的整體穩(wěn)定性。另外，從截面積可以看出，前者適用于中大型渠道，而后者在小型渠道工程中應(yīng)用較多。

圖5　弧形底梯形截面

4　結(jié)語

相比凍融破壞和冰凍破壞，遼寧省灌區(qū)渠道凍脹破壞的危害性更大、分布更廣，是遼寧省目前水利工作中較為棘手的問題之一。在原有單一“抗、隔、換”防凍脹措施難以取得理想效果的背景下，從遼寧省灌區(qū)實(shí)際情況出發(fā)，分析了渠道凍脹破壞原理與影響因素，在此基礎(chǔ)上提出了采用現(xiàn)澆混凝土邊坡與柔性渠底配合、膨潤(rùn)土防水毯與土料保護(hù)層配合、混凝土邊坡與適應(yīng)變形截面形式配合等三種渠道襯砌改進(jìn)措施，以期為解決遼寧省灌區(qū)渠道季節(jié)性凍脹破壞問題進(jìn)行有益的探索。

由于渠道凍脹破壞因素復(fù)雜，因此還需要從規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工和管理等多個(gè)方面入手，采用綜合防治措施，有效消除和回避渠道凍脹問題，更好地發(fā)揮渠道工程效益。

［參考文獻(xiàn)］

［1］楊萬志.遼寧省渠道防滲節(jié)水潛力及對(duì)策［J］.防滲技術(shù)，1994，1：2-5.

［2］廖云，劉建軍，陳少峰.混凝土渠道凍脹破壞機(jī)制與抗凍技術(shù)研究進(jìn)展［J］.巖土力學(xué)，2008，29（11）：211-214.

［3］徐學(xué)祖，何平，張繼明.土體凍結(jié)與凍脹研究的新進(jìn)展［J］.冰川凍土，1997，（3）：280-283.

［4］張茹，王正中.季節(jié)性凍土地區(qū)襯砌渠道凍脹防治技術(shù)研究進(jìn)展［J］.2007，25（3）：236-240.

［中圖分類號(hào)］TV698.2+6

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1002－0624（2016）02－0048－02

［收稿日期］#2015-10-02