寒区水利工程冻害防治技术初探

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摘 要：冻害问题一直是困扰寒区水利工程设计施工的一大瓶颈问题，有关专业部门从来没有放弃在这方面的研究探索，但近二十多年来仍然没有实质性的突破。本文通过对工程实践的深入分析论证，尝试寻找适于寒区农田水利工程推广与应用的冻害防治技术方案，以期在今后具体工作中对实际工程有所帮助。

关键词：寒区；水利工程；冻害防治技术；分析；解决方案

党的十对农业和农村工作作出了重要部署。水利是农业发展的命脉，我国东北的大部分地区是国家的重要商品粮基地，但地处寒带的自然气候条件，使这些地区的水利工程发展普遍落后于国家的平均水平。近年来，国家投入大量的专项资金和专业技术力量，加快推进农业灌溉技术方面管理模式的研究论证，但水利工程面临的冻害问题，仍然直接影响着工程结构、地基处理、工程造价、寿命周期，以及施工方案的设计、施工进度的安排和施工人员、机具选配等诸多方面。单就造价而言，寒区就要比温和地区高出30 %以上，这是寒区水利事业发展相对落后的最重要的因素。如何在现有技术条件下以，以以同等或较少的投入，获得最佳的应对冻害方案，值得有志于这方面工作的专业技术人员共同研究探索。

1 工程实践

1995年黑河市爱辉区宋集屯灌区干渠溢流堰工程，堰体为薄壁型，堰体长为12 m，消力池宽7 m，下设20 cm垫层，末端水流束窄。设计中设计者按着严格的规范要求，充分考虑了冻胀的要求。堰体基础底面位于冻深以下，堰前防冻措施也得到了考虑，可经过两年的冻融之后，堰体出现多道裂缝。消力池底板中间出现隆起，高度达14 cm。

2005年，也是在上述灌区，在位于二支沟与干渠的交叉处，修建交叉建筑物，建筑物上部为渡槽，下部仍为薄壁堰，堰体长为11 m，其它结构未做大的改变。设计中在吸取过去经验的基础上，在消力池底作换基处理，换基材料为砂砾料，换基深度为1 m。堰体不再简单地按挡土墙进行结构计算，而是在此基础上用双向板进行结构验算。经过五年的冻融考验，堰体和消力池结构基本保持稳定。

2 案例分析

两个个案的不同工程结果，主要攻克目标就是设计施工中如何面对冻土问题。我国冻土研究最初是借鉴原苏联的经验，但多年来在冻土领域处于领先地位的国家也没有在求证冻胀力普遍的数学模型上取得实质性的进展。前文列举的案例一，就是在工程设计上忽略了冻胀力次对工程结构的影响。通过作者在案例二中的实践，可以认为，在有约束的挡土墙的结构计算时，不应简单地做单向分析，必须同时考虑下垫面条件并做换基处理，换基深度应在了解场地土壤类型和地下水埋深度的情况下做出选择。根据作者的经验，寒区施工根据土壤性状和地下水情况，换基数值大约在0.5 m～2 m之间，以砂砾料为最好。双向板的考虑主要是加强结构的整体性，利于抗击冻胀力，换基是可以容纳和分散水分迁移，进而从结构和外部措施上缓解冻胀的破坏。

3 结论

从我国的情况看，不考虑理论上问题，单就抗击冻害的措施来说，仍然没有走出H·A·崔托维奇定下的原则，即：“结构物土的部分及其地基的抗冻胀改良措施，目的在于减少或完全消除冻作用；加强基础与结构物的抗冻胀稳定性措施，旨在保证天然状态和特殊制备的土冻胀时建筑物的稳定性。”根据作者多年的实践探索，在理论上没有获得突破的情况下，如何减少冻害对水利工程的破坏是当前寒区水利发展面临的主要问题。本文只是从个体结构及局部的成功范例上做了初步的探索，所得出的也是相关的参考性结论。就农田水利而言，受冻害影响的只有沟渠和配套建筑物，沟渠为线性构筑物，空间跨度大，覆盖下垫面条件复杂，只有在进行节水改造时，才会涉及显性的冻害防治问题。土沟渠冻害发展很慢，趋于隐性，长期表现为脱坡、冰丘冰锥发展等，目前主要采取对土沟渠实施疏导的办法来防治。从根本上彻底解决冻害对渠系节水改造工程的损害是一项多学科的系统研究课题，现阶段比较可靠的方法是全线高渗透垫层+抗冻性防渗材料+硬化保护层+局部土体替换。就单个构造物而言，必须首先深入了解建设地点地质资料，按照淤泥土、粘性土、亚粘土，砂质土，结合地下水的侵入情况和地表水的渗入情况，分别选择0.5～2 m换基深度进行换基，处理好基础。对于挡土的构造物，既使按照一些经验公式考虑法向冻胀力，在超过5 m的跨度上还是会出现冻胀的影响的，必须按双向板进行结构验算，荷载可适当参考相应经验公式来计算。