灌區(qū)冬季輸水渠道防冰和防凍脹措施分析

劉慧慧

摘 要：冬季氣溫偏低，輸水渠道容易出現(xiàn)凍脹、結(jié)冰現(xiàn)象，此類現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致渠道受到破壞，進(jìn)而引發(fā)泄露、滑塌等問題。為了保障輸水渠道的正常工作，一定采取有效的防冰、防凍脹措施，本文就此進(jìn)行了相關(guān)的闡述和分析。

關(guān)鍵詞：冬季；輸水渠道；防冰；防凍脹

我國北方內(nèi)陸地區(qū)冬季溫度較低，大部分地區(qū)會(huì)處于零下的狀態(tài)，一些寒冷地區(qū)甚至?xí)_(dá)到-20℃以下。在持續(xù)低溫的情況下，輸水渠道很容易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致渠道內(nèi)出現(xiàn)浮冰、冰蓋，從而造成渠道堵塞問題，嚴(yán)重影響輸水渠道的正常運(yùn)作，且在凍脹情況的影響下，有可能會(huì)破壞輸水建筑。此外，在季節(jié)性凍土地區(qū)還會(huì)出現(xiàn)凍脹裂縫問題，不僅導(dǎo)致渠道漏水，還會(huì)降低水的利用稀疏，為灌區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。所以，針對(duì)冬季輸水渠道的結(jié)冰、凍脹問題，要采取有效的預(yù)防處理措施，確保輸水渠道能夠在冬季正常運(yùn)作，從而保障灌區(qū)的經(jīng)濟(jì)效益。

一、灌區(qū)輸水渠道常見的凍害類型

1.冰凍破壞

如果輸水渠道在冬季還保持著持續(xù)運(yùn)行的狀態(tài)，那么結(jié)冰問題就會(huì)破壞襯砌結(jié)構(gòu)，也就是發(fā)生冰凍破壞。在溫度達(dá)到零下之后，渠道中運(yùn)行的水體會(huì)持續(xù)結(jié)冰，一旦水面完全封凍，隨著水體的輸入，冰會(huì)不斷增多，冰凍層則會(huì)日益加厚，進(jìn)而產(chǎn)生較大的自重和膨脹壓力，最終導(dǎo)致襯砌位移、變形。此外，在水體表面漂浮的冰塊會(huì)在低溫中累積成冰蓋，造成過水?dāng)嗝婵s減，導(dǎo)致水體無法正常流動(dòng)，輸水效率就會(huì)隨之遍地，甚至?xí)霈F(xiàn)表面堵塞、冰壩等情況，導(dǎo)致渠道中的水被擠壓溢出，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)潰渠問題。

2.凍融破壞

大部分輸水渠道的防滲層都是由混凝土構(gòu)成，其容易出現(xiàn)孔隙水，在凍融特性的影響下，襯砌層會(huì)遭到破壞，也就是所謂的凍融破壞。混凝土襯砌層具有較強(qiáng)的吸水性，且渠道中時(shí)常會(huì)有水體流動(dòng)，所以防滲材料中會(huì)積攢較多的水分。在溫度作用下，材料中積攢的水分會(huì)凍結(jié)成冰，水結(jié)冰后體積會(huì)增大9%左右，從而造成膨脹問題。如果此類問題帶來過大的應(yīng)力，甚至超過混凝土強(qiáng)度，會(huì)造成防滲材料裂縫或變形，尤其在反復(fù)凍融之后，材料的吸水性能會(huì)增強(qiáng)，膨脹破壞也會(huì)進(jìn)一步加深，最后導(dǎo)致襯砌材料表面脫落等問題[1]。

3.凍脹破壞

在寒冷的冬季，渠基也會(huì)受到溫度的影響產(chǎn)生凍融、融沉一類的問題，進(jìn)而破壞襯砌結(jié)構(gòu)，影響輸水渠道的正常使用。在凍土區(qū)，受到低溫影響，渠基土中含有的水分會(huì)結(jié)冰膨脹，如果膨脹壓力過大，造成混凝土無法承受，會(huì)使襯砌層隆起。如果襯砌結(jié)構(gòu)整體出現(xiàn)凍脹情況，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷裂。等到春天，溫度升高，結(jié)冰部分融化，渠基土結(jié)構(gòu)會(huì)變得松軟，從而穩(wěn)定性和強(qiáng)度降低，致使防滲襯砌混凝土出現(xiàn)損壞問題，甚至造成結(jié)構(gòu)滑塌，不僅影響渠道的運(yùn)行，還會(huì)帶來一定的安全隱患。

二、灌區(qū)冬季輸水渠道防冰和防凍脹的措施

1.明確冰害位置，優(yōu)化運(yùn)行方案

研究和實(shí)踐表明，冬季輸水渠道的冰害問題普遍出現(xiàn)在進(jìn)水閘、主干線、壓力前池等位置。針對(duì)主干線產(chǎn)生的冰害問題，可以采取輸冰運(yùn)行的方式，也可以采用冰蓋運(yùn)行的方式，從而減少結(jié)冰問題帶來的影響。針對(duì)水閘等位置，可以采用水力拉冰的處理措施，以此減少結(jié)冰情況，降低冰害影響[2]。此外，也要對(duì)岸冰加以控制，避免其超過40cm。如果岸冰寬度超過40cm，則要進(jìn)行加熱、打撈等處理工作，做好結(jié)冰位置的清理。根據(jù)實(shí)際結(jié)冰情況，在渠首和沿線位置適當(dāng)設(shè)置排冰道，通過采取冰棱儲(chǔ)蓄、冰塊排除的方法緩解內(nèi)部結(jié)冰的情況，進(jìn)而有效控制堵塞問題的發(fā)生，確保輸水渠道的正常運(yùn)行。

2.改進(jìn)結(jié)構(gòu)斷面，置換邊坡土體

要選擇恰當(dāng)?shù)那澜Y(jié)構(gòu)，如果水流量每秒不超過3m?且流速較低，且渠道屬于小流量。流速渠道，可以采用U型斷面，該斷面不僅具有較強(qiáng)的輸水效率，還具有一定的防凍性能，通過改變渠道結(jié)構(gòu)來改變其抗滑穩(wěn)定性，同時(shí)增強(qiáng)抗應(yīng)力能力。通過對(duì)渠道、線路、水溝的合理規(guī)劃和布局，減少渠床基土中國的含水量，避免凍脹危害的出現(xiàn)。根據(jù)季節(jié)性凍土的特點(diǎn)，可以對(duì)渠道坡面土地進(jìn)行置換，可以將砂礫作為主要置換材料，其具有較強(qiáng)的非凍脹性能。將出現(xiàn)凍脹破壞的土料全面置換，置換厚度譽(yù)為凍土深度的三分之二。在渠道輸水的過程中，凍脹部位會(huì)出現(xiàn)一定的上移現(xiàn)象，導(dǎo)致凍脹面增高，在邊坡板三分之一的位置會(huì)出現(xiàn)凍脹破壞。土體置換完成后，襯砌板下方的土體雖然仍舊會(huì)在負(fù)溫度作用下出現(xiàn)凍結(jié)問題，但由于置換的土體不會(huì)發(fā)生凍脹，所以不會(huì)引發(fā)變形問題[3]。

3.合理篩選材料，隔溫保溫處理

為了保障輸水渠道的質(zhì)量，在渠道防滲施工的過程中，應(yīng)該采用合理的防滲材料，并根據(jù)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范控制材料的凍脹量。通常，砌石的凍脹量為1-3cm；混凝土的凍脹量為0.5-2cm；瀝青混凝土的凍脹量為3-5cm。合理篩選防滲材料能夠控制工程的凍脹性能。也可以對(duì)渠基進(jìn)行夯實(shí)處理，或在防滲層下方再多加兩層封閉層，這些措施都能夠控制凍結(jié)層能夠獲得的水源補(bǔ)給，進(jìn)而在隔熱保溫的作用下改善渠道的防凍脹性能。在隔熱保溫方面，可以深埋輸水構(gòu)建物，使其位于凍土層下方，從而實(shí)現(xiàn)隔溫、保溫的目的。同時(shí)在防滲混凝土襯砌層下方設(shè)置保溫層，保溫材料可以采用EPS聚苯乙烯膨脹泡沫板。通過這種方式，既可以增加渠道的防滲性，也可以實(shí)現(xiàn)保溫的目的。調(diào)查顯示，采取此方法之后，渠系水的滲漏情況得到了明顯的環(huán)節(jié)，較之改造之前，滲透量縮減到了原有的十分之一，凍脹量也得到了大幅度的降低，約降低了70%，可見該方法有明顯的應(yīng)用效果。此外，也可以在渠道兩側(cè)進(jìn)行綠化種植，利用樹木根系形成纖維層，其不具有凍脹性，所以在改善基土性質(zhì)的同時(shí)，也能形成網(wǎng)格圖層結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。此外，樹木可以促進(jìn)微氣候循環(huán)，也能帶來一定的保溫效果。

結(jié)語

綜上所述，在北方灌區(qū)，由于冬季溫度較低，輸水渠道很容易出現(xiàn)結(jié)冰、凍脹等問題，針對(duì)這些問題，應(yīng)該采取有效的處理措施，如置換土體、隔溫保溫等措施，這些措施具有經(jīng)濟(jì)有效的優(yōu)勢，可以適當(dāng)推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]梁軍.淺析南河灌區(qū)渠道防凍脹措施[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2018.

[2]魏鵬，宋玲，陳瑞考，et al.季節(jié)性凍土區(qū)冬季輸水渠道新式防凍脹結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].石河子大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，v.36（03）.

[3]王文生.冬季輸水渠道防凍脹破壞研究[J].水利建設(shè)與管理，2017（10）.