惠农渠渠道衬砌冻害问题的探讨

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【摘 要】惠农渠干渠、支干渠防渗衬砌渠道断面形式主要为预制混凝土板梯形断面复合防渗形式。本文归纳了各种渠道衬砌冻害情况，提出了有效防治措施。

【关键词】渠道；衬砌；冻害；防治措施

1.概述

惠农渠建于清代雍正七年，即公元1729年，渠道总长231.75公里，渠道进水闸现最大引水流量97m?/s，灌溉面积115万亩，是宁夏青铜峡河西灌区相对部位最低，渠线最长的一条干渠，也宁夏平原引黄灌区主要渠道之一。惠农渠灌区土质主要为壤土，质地偏沙，呈中～强透水性，自流灌区渠系水利用系数0.38，大量的渠水渗透地下，造成地下水位居高不下，大量土壤盐渍化。因此，对渠道进行防渗砌护，减少输水损失，是非常必要的。惠农渠灌区属寒冷地区，极端最低气温-30℃，土壤封冻期长达140～160天，最大冻土深度1.0～1.2m。加之灌区有冬灌习惯，冬灌一般11月25左右结束，由于天寒，停水后土壤中的水分来不及蒸发散失即封冻。因此，渠道防渗砌护措施的选择必须考虑冻胀问题。截止2011年12月，渠道防渗砌护完成46.4km，防渗率为20%。渠道衬砌的主要形式为：

（1）全填方渠道，采用砼预制板全断面砌护（板厚6cm），板下铺塑膜（0.3mm厚）防渗，板与膜之间铺砂浆保护。

（2）半挖半填渠道，地下水位较高，冻胀破坏严重，采用砼板、浆砌石和塑膜复合衬砌形式。对于渠堤，在距渠底1/3水深以下及其基础，采用浆砌石砌筑；距渠底1/3以上则采用砼预制板衬砌，其厚度可取为8～10cm。对于渠底，采用塑料薄膜防渗，其中对于防冲要求的干渠，在其上铺一层砼板作为防冲保护层；无防冲要求的干渠，则在塑膜上覆盖素土保护。为了防冻胀，一般在护坡之后换砂砾土等非冻胀土。或者在有条件的渠道的坡脚、渠底埋设波纹管排水，降低地下水位，达到防冻胀的目的。

（3）全挖方渠道，常年积水，渗漏不是太严重，主要是边坡滑塌，造成渠道淤积，影响正常行水，另外还危及两岸农田。因此，渠底采用塑膜防渗，上覆0.6m厚素土保护，边坡下部采用干砌石或铅丝笼固脚护坡，上部采用砼预制板。

2.渠道衬砌冻害

惠农渠砌护渠道多为半挖半填渠道，基土多为壤土或沙壤土，地下水埋深在0.8m至1.2m之间，冻深在50～90cm。因此，在历次渠道砌护工程中，均把防冻胀问题做为重点内容来考虑。但是，衬砌渠道经多年或几年运行，冻胀破坏仍然不断发生。冻胀破坏形式主要表现为：

2.1表面剥蚀――混凝土材料内含有一定水分，在负温下冻结成冰，体积膨胀，其作用力大于混凝土强度时就会产生裂缝并增大吸水性，如此经过多个冻结――融化循环和应力的反复作用，混凝土表面砂浆层就会剥蚀，捣振不实的混凝土甚至出现冻酥现象。

2.2鼓胀及裂缝――渠道衬砌的冻胀裂缝。多出现在尺寸较大的混凝土板顺水流方向，缝位一般在渠坡脚以上1/4～3/4坡长范围内和渠底中部。当冬季渠内存水时，一般出现在水面附近的渠坡上。

2.3隆起、架空――在地下水位较高的渠段，渠床基土距地下水位近，冻胀量大，而渠顶冻胀量小，造成混凝土衬砌大幅度隆起、架空。这种现象一般出现在坡脚或水面以上0.5～1.5m坡长处和渠底中部，有时也顺坡向上形成数个台阶状。

2.4整体上抬――渠深1m左右的较小渠道，基土的冻胀不均匀性较小，尤其衬砌整体性较好的渠道可能发生整体上抬。

2.5滑塌――渠道衬砌的冻融滑塌有两种形式：①由于冻胀隆起、架空，使坡脚支承受到破坏，衬砌板垫层失去稳定平衡，因而基土融化时，上部板块顺坡向下滑移，错位，互相穿插；②渠坡基土融化期的大面积滑坡，渠坡滑塌，导致坡脚处混凝土板被推开，上部衬砌板塌落下滑。

3.冻害原因分析

3.1冻胀破坏――引黄灌区属于季节性冻土区，因混凝土预制块本身较薄，承受拉伸及不均匀变形能力差，在冻胀的作用下隆起或架空，坡脚支撑遭到破坏及坡面土层失去稳定平衡，在基土融化时上部板块顺破下滑错位，相互重叠；另一种是渠道边坡基土融化大面积滑动，导致坡脚混凝土被推开，断面破坏。混凝土板不但受土床冻胀而造成其过大变位，也存在自身体积小，自重轻，难以抑制冻胀力而遭破坏的特点。冬灌后渠坡土壤处于饱和状态，土质表层受冻后，附近土壤水分向冻处转移，形成大量冻层，冰层升温膨胀对砌护板产生上推作用力，使砌护板裂缝分解，造成渠道边坡的滑塌和地板隆起。

3.2冻融沉陷――宁夏冻结时间在120～150d，冻结期日平均气温在 - 9℃，属典型的季节性冻土，灌区灌完冬水在11月中下旬，渠道停水后的短时期内，渗漏在渠底部土层中集聚大量的水分，由于天气变冷蒸发量很小，造成土体含水量超过起始冻胀临界含水量，在0℃时开始结冰，封堵了混凝土孔与为界相通的孔口。水结成冰使体积膨胀，产生膨胀力使混凝土孔隙受到压力，这种压力使混凝土膨胀开裂，融化后混凝土又不能恢复原状，经过多次循环混凝土就失去承载力。由于渠道外坡地下水大量向渠内渗透，渠道边坡侵润线以下成为饱和状态，土壤内摩擦角随之发生变化。春季气温回升后，融化后的基土含水量增加，土壤处饱和或半稀软状态，大量泥浆随水压的作用，常出现坡板鼓裂，底板鼓裂，坡角处塌陷的现象，这是由于冻胀使坡角受力集中，底板两侧受力过大，造成底板鼓裂，坡角塌陷，使坡板下滑断裂，底板鼓起的重要因素。

3.3 施工质量差――砌护渠道质量问题主要表现在：护底、护坡土基础没有夯实，引起不均匀沉陷；渠道行水时，水通过工作缝、伸缩缝、砌体缝和裂缝进入护坡背面，在渠道纵坡比降的作用下，从缝中渗入的水或外坡脚水将细颗粒泥土带走，受到浮力和重力的作用很难保持稳定，随着渠水位的变化，淘刷土质基础，经过多次反复，使护坡面混凝土砌体失去支撑而塌陷破坏。

4.预防及维护措施

4.1 设计上要充分考虑防冻融措施。在防渗渠道设计中，必须进行防冻胀设计，设计中因贯彻因地制宜、安全可靠、经济合理和使用美观。通过计算或必要的试验确定渠道各个部位设计冻深和冻胀量，合理选择满足冻胀要求的渠道断面形式，选择适宜的砌护坡度及结构形式。设计中首先要确定防渗渠道断面形式。常见的渠道断面形式有梯形、矩形，渠底为圆弧形、渠坡为梯形，渠底圆弧与渠坡梯形相切，平底、弧角、直线边坡砌护，U型断面砌护。根据实际运行表明，平底、弧角、直线边坡砌护，适应冻胀变形能力强，因积极推广。

4.2 施工中要严把质量关。施工质量的好坏，是项目成败的关键。对于混凝土衬砌渠道来讲，一定要设计要求施工，严格执行施工规范，夯实坡面和渠底基土，达到设计的干容重。据调查，从新衬砌的渠道看，坡面基土夯实不密，均出现局部塌陷破坏。同时要做好基础工作，防止衬砌板失去支撑而下滑；处理好衬砌板板缝，防止勾缝脱落衬砌破坏。在砌护渠道中，为了减少渗漏，均在衬砌板下铺设一层膜料，以达到隔断下层水的作用，从而减轻冻融作用。膜料即可以采用土工布，也可以在其上铺设一层1-3cm的聚乙烯泡沫板。实践证明，铺设聚乙烯泡沫板的保温抗冻效果非常好。再者混凝土衬砌渠道设置伸缩缝必不可少，具体视渠道断面不同，每隔5-10m设置一道。

4.3 加强使用管理。良好的管理是延长衬砌渠道使用寿命的关键环节。春浇不宜过早，冬浇不宜在渠道内残留剩水，要及时排空。渠道的个别损坏之处应及时修补，以免造成更大面积损坏。渠系上方的杂草要每年进行清理，以免草根产生穿漏作用。