興電工程干渠凍脹原因及防治措施

楊志平

（甘肅省白銀市興電工程管理局，甘肅平川 730916）

興電工程干渠凍脹原因及防治措施

楊志平

（甘肅省白銀市興電工程管理局，甘肅平川 730916）

通過對興電灌區(qū)干渠凍脹調(diào)查，分析凍脹原因并對凍脹渠進行分類，從而制定凍脹渠的維修、管護計劃和防治措施。達(dá)到渠道安全運行的目的。

渠道；凍脹；防治

一、工程概述

興電灌區(qū)位于甘肅省靖遠(yuǎn)縣、平川區(qū)與寧夏回族自治區(qū)海源縣、沙坡頭區(qū)四縣區(qū)接壤地帶，是甘肅省中部大型高揚程灌區(qū)之一。灌區(qū)年平均降水量200 mm，蒸發(fā)量2 390 mm。工程建于1976年，1984年10月通水，建有泵站9座，總揚程477 m，總裝機容量8.64萬kw，設(shè)計流量9.6m3/s、灌溉面積30.18萬畝、提水量1.2億m3。工程建成運行后，解決了甘肅和寧夏10個鄉(xiāng)鎮(zhèn)18.3萬人畜飲水困難問題，極大的改善了灌區(qū)群眾的生產(chǎn)和生活條件。

二、凍脹的嚴(yán)重性與危害性

興電灌區(qū)屬于北方灌區(qū)，渠道因基本反復(fù)凍融，凍脹，隆起沉降，造成襯砌板開裂，拉縫錯位，滑坡坍塌，影響渠坡穩(wěn)定，縮短了防滲襯砌的使用壽命，造成防滲板裂縫，尤其是總干渠和東干渠走向為東西走向，且在山的陰坡面，凍脹尤為厲害，通常把上述結(jié)果稱為凍害。它主要危害有：

（一）從表面看

造成的渠道襯砌，膨脹，隆起，沉降，產(chǎn)生裂縫，滑坡，坍塌，通水時滲漏，濕陷決口。

（二）對灌區(qū)的灌溉運行帶來不良的后果

造成渠道跑、冒、滲、漏的重要原因，致使渠水利用率下降，造成浪費。

（三）短了渠道的使用壽命

由于凍脹破壞，還需要大量的人力，物力和資金來進行維修，不僅增加了開支，提高了成本，還會影響正常灌水秩序。

（四）由于凍脹造成渠道的決口

影響周邊群眾，房屋，淹沒農(nóng)田等，還會造成一些間接重大損失。

三、凍脹原因及與造成渠道凍脹的主要因素

（一）凍脹原因

興電灌區(qū)屬于北方灌區(qū)，冬季最低氣溫-29.50℃,土壤封凍期長達(dá)180天。隨著冬季的來臨氣溫下降，地基土中的水分在氣溫降到0℃以下是被凍結(jié)，水結(jié)冰時體積膨脹，約增加原水體積的9.07%，因此一般情況下土凍結(jié)時將產(chǎn)生膨脹，這就形成了土的凍脹。土在凍結(jié)過程中不僅原位置的水凍結(jié)成冰，而且在凍脹過程中，會產(chǎn)生水分遷移。水分將從未凍區(qū)向凍結(jié)高峰面遷移，并凍結(jié)成冰，這種現(xiàn)象稱為水分遷移。由于水分遷移就使土的凍脹更加劇烈，隨著冬季氣溫下降，與此同時產(chǎn)生凍脹力，當(dāng)襯砌混凝土預(yù)制塊自重力，不能抵抗次應(yīng)力時，或現(xiàn)澆渠整體自重力，不能抵抗此應(yīng)力時，就產(chǎn)生裂縫，鼓起，或者整垮現(xiàn)澆渠被抬起。這是基土上部的水分已經(jīng)消融，但下部仍為凍結(jié)層，因此水分不能及時下滲，致使基土含水量增大，抗剪強度降低，在超過極限時，在土層中形成滑動面，再加上混凝土塊本身自重，因此混凝土向下滑動、擠壓，有的甚至溜向渠底，渠底也膨脹，裂開，現(xiàn)澆渠整垮上升，伸縮縫裂開等，導(dǎo)致襯砌渠道全面破壞。

（二）土的因素

由于土顆粒的大小不同土體吸引水分的能力也不同，土的顆粒級配也極大影響土的含水性能，在一定程度上控制土中水分的運動，吸引水分強的土質(zhì)凍脹性就強，興電灌溉區(qū)渠道一般為粘土，粘砂土，屬于凍脹類型土，若是砂礫基礎(chǔ)，由于顆粒粗，凍脹時一般不產(chǎn)生水分遷移，水分只能在原處凍結(jié)或者在重力作用向下移動，凍結(jié)時反而出現(xiàn)上部含水量減少，下部含水量增加情況，凍結(jié)時水能自由排出，不具凍脹性。這為選用材料夯筑渠道基礎(chǔ)有重大指導(dǎo)意義。

（三）水的因素

我們知道，純凈的水在0℃開始結(jié)冰，而土的起始凍結(jié)溫度，與土的含水量，土中含鹽量等都有關(guān)，實驗表明，水在凍結(jié)時，體積將增大9.07%。興電灌區(qū)最大凍結(jié)深度1.2米。部分渠道由于滲漏較大。土的含水量較大一般為30%左右。假若體積只增高不增寬。那么1.2米厚基土在凍結(jié)時脹起高度為1.2×100×30%×9%=3.24(cm），這就是說含水量較大土凍結(jié)后凍脹量達(dá)到幾厘米。由于體積增大，將對渠道襯砌表面產(chǎn)生很大的頂托力。這種頂托力可以達(dá)到數(shù)百甚至千千帕，超過渠道材料的抗剪強度，從而使渠道襯砌表面產(chǎn)生裂縫。加上渠道表面的水沿裂縫下滲，進一步加劇裂縫的發(fā)展，地下水地面以下50多米，土壤含水量極少，土基含水量主要是渠道滲漏，致使渠道土基的含水量增大。觀測資料表明，興電干渠渠道基土的起始凍脹含水量為12%～17%，由此可知渠道滲漏是興電灌區(qū)渠道產(chǎn)生凍脹首要決定性的因素。

（四）溫度因素

在自然情況下一般粘土的起始凍結(jié)溫度在-0.1℃至1℃之間，溫度從0℃降到-3℃時未凍水含量變化極大；在-3℃～9℃左右，這時未凍水含量變化相對比較緩慢；當(dāng)溫度低于-9℃時，未凍水含量變化極微。因此當(dāng)土的含水量大于未凍含水量而溫度低于起始凍結(jié)溫度時土中即有冰層出現(xiàn)，興電灌區(qū)從結(jié)冰開始至12月開始至12月底為強凍脹期，凍結(jié)力隨著溫度的降低而迅速增長，凍脹變化較大。從12月開始到次年1月底，氣溫逐漸下降，凍深增加，稱為弱凍脹期，此時，凍脹變形相對較小。此后隨著溫度開始回升，基本化凍，部分凍脹恢復(fù)，了解溫度對渠道凍脹因素，可以指導(dǎo)我們制定每年冬灌停水時間，使渠道凍脹破壞減小。

四、凍脹的類型

通過普查，根據(jù)凍脹破壞渠道程度不同，將渠道凍脹破壞化分為三種類型，即輕微凍脹，中度凍脹，嚴(yán)重凍脹，為維修管護計劃制定提供依據(jù)。

（一）輕微凍脹

凍脹量（即襯砌表面向外突出的高度）在2 cm以下，凍脹多為不連續(xù)分布，春季凍土消融后能基本恢復(fù)原位，這一類凍脹渠共計有6.05 km，占凍脹渠14.2%，一年不維修，加強巡視，觀測。

（二）中度凍脹

凍脹量一般達(dá)5～10 cm，在較大范圍內(nèi)呈波浪起伏或呈凍脹鼓包。或者整體襯砌渠側(cè)陰下降，陽坡上升。凍土融化后，往往不能恢復(fù)原位。裂縫增寬1cm。裂縫可加劇第二年凍前水分入滲和凍脹變形，如此惡性循環(huán)，最后可發(fā)展到嚴(yán)重凍脹情況。第二類型渠長總計6 km，占總凍脹渠14.08%，列為預(yù)備維修。

（三）嚴(yán)重凍脹

在第一年或連續(xù)數(shù)年凍脹作用下，混凝土板降起數(shù)十厘米，其中有一兩塊（陰坡水面以下部分）近乎直立，上一塊支成座椅狀其上部混凝土塊失去支撐，春節(jié)表土消融，水分被其下伏凍土阻隔不能排除，部分從裂縫向渠內(nèi)滲流，致使板下土壤過分飽和而發(fā)生大片混凝土板塌滑，導(dǎo)致襯砌渠道完全破壞。發(fā)生此種情況時，往往會在邊坡渠床內(nèi)出現(xiàn)裂縫，深可達(dá)幾十厘米，寬十余厘米，渠堤上部出現(xiàn)延伸數(shù)百米的裂縫，這類渠總長10 km，占凍脹渠23%，一般視情況列為當(dāng)年維修項目。

五、防止措施

通過近幾年對凍脹渠道的維修保護，根據(jù)凍脹現(xiàn)象是水分、土質(zhì)、溫度、設(shè)計、施工等因素綜合作用的結(jié)果，而且主要因素隨地區(qū)的變化很大，即使在同一地區(qū)，分布也不一致，陰坡、渠底、凍脹比陽坡重。根據(jù)灌區(qū)實際情況和凍脹產(chǎn)生的原因采用以下幾種防治措施:

（一）弧形底·梯形變坡斷面

一般情況下，對凍脹的梯形渠底改變?yōu)榛⌒蔚住ぬ菪芜吰聰嗝?，因為弧形底斷面裂縫錯位較少，縫隙小，尤其是弧形底部分，其凍脹變形以整體上臺為主，變形折角很小，凍脹破壞很輕微，梯形斷面上渠底中部，渠坡下部等特征部位產(chǎn)生較大的凍脹量，在弧形底斷面得到較大削減，實際觀測表面弧形底斷面凍脹變形比較均勻。

（二）膜料防滲

興電灌區(qū)氣候比較干旱，渠道滲漏是增加基本含水量最主要的途徑。因此在采取防凍措施首選防滲，減少基土的含水量，不僅能減少凍害，也適應(yīng)高揚灌溉區(qū)節(jié)水的特點。我們在近幾年的維修，翻建過程中，采用聚乙烯塑料薄膜作為防滲材料，一般在混凝土預(yù)制塊及其它形式的襯砌下鋪設(shè)聚乙烯塑料防滲材料。以加強防滲抗凍效果。

（三）墊層換基

所謂墊層換基，就是將渠床上層基土清除，換上一層透水性強的砂礫作為渠道基層，墊層厚度根據(jù)渠道不同部位，厚度也不同，在施工當(dāng)中坡腳陽坡30cm，陰坡50～60cm，坡頂20cm，渠底換填厚度采用自陽坡到陰坡逐漸過度。通過墊層換基，降低基土含水量，加厚墊層，減小凍脹深度，使基底低于凍脹含水量在負(fù)溫下不致產(chǎn)生凍結(jié)力。

（四）漿砌塊石襯砌和正六邊形預(yù)制板襯砌興電工程北干渠，附近有充足石料，條件便利，利用漿砌塊石襯砌渠道，因為漿砌石厚度大，整體性好，抗凍性能比厚度薄的混凝土板好。且漿砌石抵抗溫度應(yīng)力的性能也比混凝土板好，所以，有些地方不設(shè)伸縮縫，雖應(yīng)溫度應(yīng)力產(chǎn)生微小裂縫，但其滲漏原比伸縮縫滲漏小，有利于防凍，其次采用較陡邊坡，可以減小浸潤寬度，有利于邊坡防凍。北干渠將有10cm的漿砌塊石渠道，凍脹破壞很小。采用正六邊形襯砌，受力結(jié)構(gòu)條件好，防滲效果好，改善了防滲渠道凍脹變形分布不均性，增加了結(jié)構(gòu)形式的構(gòu)造應(yīng)力。襯砌施工方便，渠道美觀。

（五）施工方面

施工質(zhì)量對渠道影響極大，施工質(zhì)量不好和養(yǎng)護不善，往往可以使一個好的抗凍技術(shù)方案失敗。在翻建施工時注意以下幾個方面的問題，一是保證墊層厚度與質(zhì)量外達(dá)到方案要求；二是膜料鋪設(shè)時防止塑料膜人為破壞，故，施工人員應(yīng)穿軟底鞋，應(yīng)將小褶皺平貼渠坡；渠底鋪膜時，應(yīng)將基底雜物清除，緊貼渠底，防止膜下鼓氣，保證防滲質(zhì)量。膜料鋪設(shè)之后認(rèn)真檢查，凡發(fā)現(xiàn)有空洞的，立即加以修補堵漏，接縫確保不漏水；三是預(yù)制混凝土塊也確保質(zhì)量，混凝土塊表面整平，對周邊及底部用水洗刷干凈，勾縫砂漿應(yīng)當(dāng)干硬性的，搗實深度必須保證，勾縫要求密實，按規(guī)定養(yǎng)護；四是對于填方渠更應(yīng)注意壓實。

（六）管理方面

管理水平的提高不提高對渠道影響也極大，如冬灌推遲停水，可能造成渠道大面積凍脹，停水后要清理部分渠道內(nèi)的積水。如果管理跟不上去，極大會影響渠道凍脹。通過多年實踐興電灌區(qū)冬灌停水時間11月中旬，水停之后組織職工對渠道清理積水，對建筑物如閘門，閘閥都搞一些防凍措施，從而減少凍脹。

通過工程翻建維修，依據(jù)以上的防凍害措施，和措施綜合利用，從1995年開始經(jīng)過10年以來對嚴(yán)重凍脹渠分別進行了維修，加設(shè)防滲膜料，墊層換基進行了處理共計有10km，較好的解決了凍脹破壞問題，有效保證渠道的安全運行。

（編輯：劉國華）

TV93

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1673-9019(2016)19-0043-02

2016-08-03

楊志平（1971-），男，甘肅靖遠(yuǎn)人，工程師，主要從事興電罐區(qū)渠道運行和供水管理工作。