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宁夏灌区渠道抗渗防冻胀衬砌形式的研究[摘要] 宁夏引黄灌区是我国古老大型灌区之一，随着灌区工农业的发展，用水量逐年增加，水的供需矛盾日益突出。
为减少渗漏损失，防御渠堤滑塌，提高渠道输水能力，找出防冻胀效果更好、最经济的衬砌形式就变得非常迫切。
分析了灌区渠道防渗工程的冻害原因，对不同衬砌结构形式进行了技术比较，给出适用于不同条件、防冻胀效果好且经济实用的防渗衬砌形式，为宁夏灌区渠道衬砌工程防冻胀提供理论指导，使工程投资发挥最大效益，推动灌区的快速发展。
[关键词] 宁夏灌区渠道防渗抗冻胀措施1.灌区渠道概况宁夏引黄灌区是我国古老大型灌区之一，具有两千多年的渠道灌溉历史，灌区盛产稻麦，年种年收，素有“天下黄河富宁夏”、“塞上江南”之美称。
灌区位于黄河上游，黄河纵贯灌区南北，流程397km，年过境水量330亿m3，是灌区的主要水源。
灌区呈带状，南北长约320km，东西宽约40km，地面高程1236～1087m，由南向北递减。
灌区为典型的大陆性季风气候区，干旱少雨，蒸发强烈，多年平均降水量仅192mm，蒸发量高达2000mm。
日温差较大，年平均气温8.5℃，最低气温-24.5℃，无霜期164d，平均冻深80～90cm，最大冻深1.2m。
灌区地下水位较高，多年平均埋深0.7～3.0m，季节性（11月下旬至次年4月中旬）平均埋深l.5~3.0m。
灌区现有总干渠2条，长59km，干渠15条，长1481km；有排水干沟32条，总长790km；有大中型扬水工程7处，小型电力排灌站570座；排灌机井5000多眼。
灌区灌溉总面积645万亩，总引水能力750m3/s，年净用水量32.8亿m3。
灌溉周期分春灌、夏秋灌和冬灌三个阶段，历时l80d。
随着灌区工农业的发展，用水量逐年增加，水的供需矛盾日益突出。
为减少渗漏损失，防御渠堤滑塌，提高渠道输水能力，自七十至八十年代起，开始对干渠进行防渗衬砌。
但由于宁夏地处季节冻土区，气候寒冷，因冻胀使衬砌工程均有不同程度的破坏，特别是地下水位较高的地区，冻胀破坏尤为严重，致使工程效益不能充分发挥，维修费用也大为增加。
浅谈渠道冻胀破坏的防御措施我国作为历史悠久的农业古国之一，沟渠灌溉在中华文明的发展史上占据着重要地位，而渠道冻胀是寒冷气候灌溉区时常发生的渠基土冻胀现象，并且已经成为灌溉建设的一项技术难题。
渠道冻胀破坏是指灌溉区域渠基土由于气温较低发生的体积膨胀顶托衬砌，使已经建好的渠道遭到严重损害，与此同时也会大大降低渠道的使用寿命，削弱渠道的节水效果。
本文将会探讨渠道冻胀破坏产生的原因和提出这些问题的解决措施。
标签：渠道；冻胀破坏；原因；防御措施渠基土发生冻胀现象通常具备以下三个方面的条件：一是灌溉渠道处在持续负温条件的寒冷气候区；二是土壤中自由水和毛细水的大量存在，与此同时会有充足的水分补给通道；三是该灌溉地区自身的土壤物理特征。
目前受冻胀发生破坏的渠道主要处于灌溉区，并且以灌溉区的中下游地区为主。
这是因为中下游地区地下水较浅、土壤沙粒较细并且土壤中水分充足等满足了冻胀破坏的基本条件，一旦发生持续低温现象，土壤中的水份受涨导致渠基土膨胀而最终发生渠道冻胀现象。
一、渠道冻胀破坏产生的原因1、地下水对渠道衬层的冻胀在冬季气温降至O℃以下时，由于渠床土中含水量不同和土壤冻胀量不同将会造成断裂面上各点的冻胀面分布很不均匀，是渠道衬层发生破坏的根本原因。
实验一再证明：边坡衬砌层所受的冻胀力是平行于该衬砌层的切向冻胀力，该力大小及正负与渠床土壤含水量沿渠道横断面高度的分布直接相关。
当含水量分布为下大上小时，边坡衬砌层会受到横向的压力；当含水量分布为下小上大时，边坡衬砌层将会受到横向的拉力；当含水量分布为上下均匀一致时，边坡衬砌层基本就不会受到压力。
与此同时，如果渠道边坡衬砌层和其下的冻层之间存在一定约束力的话，则有很大的可能性出现冻胀力；如果此约束力解除，渠道就不会受到冻胀力的影响。
在上文的第一种和第二种的渠道水分布状态下，坡底和渠脚的冻胀程度会大于渠坡上部，就会有如下特点：一是渠底衬砌板的冻胀破坏会受到边坡的压迫，冻胀破坏表现为中部大两端小的格局，这样就会导致渠道中心出现裂痕。
不同类型区典型工程渠道防渗防冻胀技术应用模式及效果评价报告中国灌溉排水发展中心二〇一〇年十二月目录1 我国渠道防渗防冻胀技术发展概况.................................................................- 1 - 1.1 渠道防渗防冻胀技术发展情况.....................................................................- 1 - 1.2 防冻胀结构形式.....................................................................................................-3 -1.2.1混凝土U形防渗渠道.....................................................................................................- 3 -1.2.2复合材料防渗结构形式..................................................................................................- 3 -1.3 防渗、防冻胀新材料与新技术.....................................................................- 4 -1.4 渠道防渗工程经济分析和质量监管..........................................................- 7 -2 渠道防渗防冻胀主要技术措施............................................................................- 8 - 2.1 渠道防渗工程的冻害类型及破坏形式.....................................................- 8 -2.1.1冻害类型.........................................................................................................................- 8 -2.1.2冻害破坏形式.................................................................................................................- 9 -2.2 渠道防渗工程冻胀破坏成因及特征...........................................................- 15 -2.2.1冻胀破坏成因...............................................................................................................- 15 -2.2.2渠基土的冻胀特征.......................................................................................................- 17 -2.3 渠道防渗防冻胀主要技术措施.....................................................................- 19 -2.3.1回避措施.......................................................................................................................- 19 -2.3.2削减措施.......................................................................................................................- 20 -2.3.3结构措施.......................................................................................................................- 21 -2.3.4管理措施.......................................................................................................................- 21 -3 不同类型区典型工程渠道防渗防冻胀技术应用及效果评价..........- 22 - 3.1 渠道防渗防冻胀类型区划分...........................................................................- 22 - 3.2 不同类型区典型工程渠道防渗防冻胀措施及效果评价................- 24 -3.2.1西北地区.......................................................................................................................- 24 -3.2.1.1 新疆兵团北屯灌区........................................................................- 24 -3.2.1.2 新疆呼图壁河灌区........................................................................- 29 -3.2.1.3 新疆三屯河灌区............................................................................- 32 -3.2.1.4 甘肃景电灌区...............................................................................- 39 -3.2.1.5 甘肃友联灌区...............................................................................- 44 -3.2.2东北地区.......................................................................................................................- 48 -3.2.2.1 黑龙江音河灌区............................................................................- 48 -3.2.2.2 黑龙江引汤灌区............................................................................- 52 -3.2.2.3 黑龙江江东灌区............................................................................- 57 -3.2.2.4 黑龙江悦来灌区............................................................................- 59 -3.2.2.5 黑龙江龙头桥灌区........................................................................- 60 -3.2.3华北地区.......................................................................................................................- 62 -3.2.3.1 内蒙古河套灌区............................................................................- 62 -3.2.3.2 河北石津灌区...............................................................................- 78 -3.2.3.3 山东簸箕李灌区............................................................................- 85 -4 渠道防渗防冻胀技术应用模式..........................................................................- 88 - 4.1 置换措施应用模式................................................................................................- 89 - 4.2 保温措施应用模式................................................................................................- 89 - 4.3 排水措施应用模式................................................................................................- 90 - 4.4 适应冻胀变形断面形式应用模式................................................................- 92 -4.5 复合防渗防冻胀技术应用模式.....................................................................- 92 -5 结论及建议....................................................................................................................- 95 - 5.1 结论................................................................................................................................- 95 - 5.2 建议................................................................................................................................- 95 -在我国北方寒冷地区，由于负温的作用，已建的渠道衬砌与防渗工程都不同程度遭受到冻胀破坏，不仅影响了工程的正常运行，增加了工程管理维修的难度和费用，也影响了防渗效果，有的甚至完全失去了防渗的作用。
现浇混凝土防渗渠道衬砌施工技术的控制关键探讨摘要：现浇混凝土防渗衬砌以其低廉的成本，简单的工序被普遍应用于渠道防渗的混凝土施工中，能够较好的降低农田灌溉的渗透浪费，带来显著的经济效益。
本文主要指针对现浇混凝土防渗渠道中衬砌施工所需注意的技术关键进行分析，并从施工准备、混凝土材料以及混凝土的配合比例等方面，逐步具体的对各个施工要点进行了探讨。
以其为现浇混凝土防渗渠道衬砌施工技术的相关问题提供解决依据。
关键字：现浇混凝土；防渗渠道；衬砌施工中图分类号： tu74 文献标识码： a 文章编号：引言自农业节约型社会建设开展以来，我国农田灌溉工程就开始寻找各种降低灌溉用水浪费的手段，以迎合市场经济大环境之下的可持续发展战略。
在我国的农田灌溉用水中，渠道输水较低的利用率一直是节约用水的主要阻碍。
据相关数据表明：目前我国大多数渠道灌溉仍然采用原始的土渠道，这样仅在水的输送过程中，就会产生35%甚至更多的渠道水源浪费。
当然，也有部分渠道工程开始用混凝土防渗渠道来改建原有渠道，虽然前期投入增加，但是其渠道输水可以将水源利用率提高到85%-95%。
从长远利益上看，社会效益将远大于传统的输水渠道，本文就针对其中的现浇混凝土防渗渠道衬砌工程施工中应注意的技术关键进行分析，将各类技术要点进行分类总结，并提出科学的维护管理建议。
1 施工准备1.1 地基处理地基是进行渠道混凝土施工的基础，在进行渠道混凝土工程施工之前，需要结合渠道的挖掘方式进行施工放样，并且在施工设计确定时立即开挖，以保证地基的自然风干过程，增加地基强度，而且可以有效的防止冬季混凝土冻胀的发生。
开挖时很可能遇到开挖面松动的情况，需要在混凝土浇筑前进行处理，处理之后回填、夯实。
有时候可能会学则填方式渠道，这时需要主要的是对渠床中淤泥以及隐藏碎石等硬质杂物的清理，之后进行分层填土与夯实工作，同时应注意保护施工现场，避免夯实土层表面的起沉或者雨水冲刷的破坏，另外就是要确保渠道削坡的高度以及坡表面的平整，最好是在混凝土浇筑施工的前1-2天完成。
可编辑 精品文档，欢迎下载 混凝土防渗衬砌渠道抗冻胀设计应用浅析
摘要：本文以伊犁河谷地重大工程团结渠灌区一期土地开整理项目混凝土防渗衬砌渠
道抗冻设计为例，简要论述了新疆伊犁河谷地重大工程团结渠灌区混凝土衬砌渠道抗冻胀设计的计算方法，分析地下水埋深与混凝土衬砌渠道设计冻深的关系，进行衬砌结构抗冻胀稳定计算，确定相应的抗冻胀措施。计算结果表明，渠道设计冻深随地下水埋深与基础之间垂向距离的增加而增加，设计冻深与工程区标准冻深值成正比；基础冻胀量随工程区地下水埋深与基础之间垂向距离的增加而递减；混凝土衬砌渠道阴坡冻胀量最大。 在渠道衬砌工程抗冻胀设计中，设计人员要掌握灌区气象资料、工程地质及水文地质条件、冻土资料等，合理确定抗冻胀设计中的各种参数，以此保证设计的准确性。 关键词： 冻胀条件;设计冻深;冻胀量;防冻措施
0、绪论 我国西部区域的新疆，大部分地区处于干旱区，年均降水量147.4mm（大部分地区降水量少于200mm），年降水总量仅占全国的3.92%，在新疆，没有灌溉就没有农业，农业耕作全靠灌溉方式实施。而现状农业用水占水资源总使用量97%，随着工业化、城市化的发展，农业用水将进一步紧张。据统计新疆自治区每年从渠道渗漏掉的水量约为21亿m3 。所以，建好渠道防渗工程，堵住这个浪费水的大洞，提高渠系水利用率，是实现节水型农业的重要工程措施。20世纪50年代新疆已开始渠道防渗衬砌技术的应用于研究，衬砌防渗的主要结构形式有砌石、混凝土预制板、现浇混凝土板、塑料薄膜及塑膜加保护层的复式结构等。在新疆高寒地区，这些防渗工程均存在不同程度的冻胀破坏问题，不仅直接影响渠道的正常使用，浪费了水资源，而且增加了修复次数和工程费用。因此，研究混凝土衬砌渠道抗冻胀设计具有现实意义。可编辑 精品文档，欢迎下载 1、项目概况 1.1 项目地理、气候条件 项目区属于伊犁河流域分灌区之一团结灌区范围内，团结灌区从特克斯河山口引水枢纽引水，属于恰甫其海水库的效益工程，本次伊犁河谷地重大工程团结渠灌区土地开发整理一期工程从团结渠灌区前进支干渠引水，经过阿克塔木牧业支渠到达项目区。地理位置：东经82°23′04″～82°28′54″、北纬43°33′03″～43°35′53″。输水支、斗渠均采用混泥土板衬砌防渗、砂砾石置换渠基土结构形式。 项目区气候属于北温带大陆性气候类型，特征：东长夏短；夏凉而无干热；冬长而寒冷，寒潮较多。其特征值如下：最冷月平均气温-11.2℃，年平均气温为8.3℃，历年极端最高气温为39℃，历年极端最低气温为-30℃；多年平均降水量为256.6mm，多年平均蒸发量为1437mm，最大冻深为106cm，多年平均冻深为75cm；平均风速为3.2m/s，实测最大瞬时风速为28m/s，主要大风为东风。
1.2 渠道工程地质特点 渠道工程地质特点：①支、斗渠沿线0~1.5m为低液限粘土，土黄色为主，可塑~硬塑，天然含水量22.3%~32.2%，液限33.7%~38.6%，塑限15.8%~24.1%，具弱透水性。②工程区勘测期间低水位埋深在0.8m~2m。③场地沿线为冻胀土基，设计时必须考虑场地冻胀问题。④本区筑堤土料及砂砾石料场储量丰富，且符合质量要求。⑤渠线区域地质构造稳定，地震基本烈度为8 度。
2、混凝土衬砌渠道渠道抗冻胀设计 2.1衬砌渠道抗冻胀设计条件 抗冻胀设计条件为：①土质中粒径小于0.05mm 的细颗粒质量分数超过6%；②标准冻深取多年平均冻深0.75m；③场地地下水埋深较浅，土层中含水量较大，冻结初期土层含水量均大于0.9倍的塑限含水量，粘土毛水管上身高度为2m，大于工程区内的地下水埋深。依据《渠道防渗工程技术规范》（SL18-2004）和《水工建筑物抗冰冻设计规范》（SL211-2006）要求，对项目区混凝土衬砌渠道必须进行抗冻胀设计。可编辑 精品文档，欢迎下载 2.2衬砌渠道抗冻胀设计内容 （1）设计冻深计算 根据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL 23—2006）渠系工程的设计冻深可按公式①计算： mwddZZ ① 式中：dZ——渠系工程设计冻深（cm）； mZ——历年最大冻深（cm），取106cm； d——考虑日照及遮阴程度的修正系数（id)1(）；
w——地下水影响系数，wiwzezew110 Zwi——计算点的冻前地下水位深度，取0.8m（m）； Zwo——临近气象站冻前地下水位埋深（m）；经调查巩留县气象站冻前地下水位埋深取Zwo=2.0m。 β——系数，查规范取0.63。 具体计算参数取值及衬砌渠道不同走向、不同位置设计冻深计算结果见表1。 表1 设计冻深计算表 单位：m 渠名 走向 部位 Zd d w Zm i α Zwi Zwo β
分干、支、斗渠
N-S 阴面 0.95 1.06 0.85 1.06 1.1 0.42 0.8 2 0.63 阳面 0.95 1.06 0.85 1.06 1.1 0.42 0.8 2 0.63 底面 0.96 1.07 0.85 1.06 1.1 0.33 0.8 2 0.63
E-W 阴面 1.19 1.32 0.85 1.06 1.1 -2.24 0.8 2 0.63 阳面 0.58 0.65 0.85 1.06 1.1 4.53 0.8 2 0.63 底面 0.95 1.06 0.85 1.06 1.1 0.41 0.8 2 0.63
根据地勘资料，设计渠道沿线地下水埋深0.8~2m，分别代入公式①计算可知，衬砌渠道冻胀与地下水埋深关系密切，设计冻深随地下水埋深的增加而增加，但是当地下水埋深大于2m后设计冻深增长缓慢。 （2）冻胀量计算及冻胀等级确定 根据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL 23—2006），基础结构下冻土层产生的冻胀可编辑 精品文档，欢迎下载 量hf可按公式②计算： dffZhZh/ ②可编辑
精品文档，欢迎下载 式中：hf——基础结构下冻土层产生的冻胀量（cm）； h——工程地点天然冻土层产生的冻胀量（cm）； fZ——基础设计冻深（cm）；
wcdfZZ6.135.0 式中：c——基础板厚度，c =8厘米； w——底板之上冰层厚度，w=0； 根据计算可以发现，衬砌渠道基础冻胀量随工程区地下水埋深增加而递减，表明地下水埋深对衬砌结构的冻胀影响随两者之间垂向距离的增加而消弱。经计算本项目混凝土衬砌渠道底部、坡板（除E-W阳面边板），冻胀量为2.4~4.7cm，其冻胀级别为II级，根据《渠系工程抗冻胀设计规范》第18页表4.2.2。U型断面混凝土衬砌结构允许法相位移值为2.0~5.0cm，梯形断面混凝土衬砌结构允许法相位移值为0.5~1.0cm。由于本项目混凝土板衬砌渠道要满足灌区的冬灌，在结冰期来临时，渠侧的地下水埋深均较其他季节高，故为工程运行安全考虑，本设计渠道衬砌结构均需采取抗冻胀措施。渠道基础冻胀量计算参数取值及冻胀量计算结果见表2。 表2 渠道底板、边板冻胀量及冻胀性级别表 单位：cm 渠名 走向 部位 hf Zf Zd δc δw h 冻胀级别
支渠、 斗渠、分斗渠
N-S 阴面 2.445 92.76 94.68 8 0 2.5 II 阳面 2.445 92.76 94.68 8 0 2.5 II 底面 2.494 93.56 95.66 8 0 2.55 II
E-W 阴面 3.143 116.61 118.71 8 0 3.2 II 阳面 1.735 55.91 58.01 8 0 1.8 II 底面 2.523 92.85 94.95 8 0 2.58 II
（3）抗冻胀措施确定 根据《新疆维吾尔自治区土地开发整理工程建设标准》规定渠道防冻胀可采取设置非冻胀性土的置换或苯板保温层两种方法，按照就地取材和节省投资的原则，本设计就近采用当地的砂砾石做防冻层。砂砾石换填厚度可编辑
精品文档，欢迎下载 按公式③进行计算： 0εdeZZ ③
式中：Ze——置换深度（cm）； 0——衬砌板厚度（cm）；本次设计混凝土衬砌厚度底面、坡面均为8cm。 ε——置换比（%），根据工程地质条件，坡面上部取60-80%，坡面下部、渠底取80-100%。 根据上述计算抗冻胀计算，各渠道可根据走向、地下水埋深计算设计冻深值并计算换填层厚度，为了便于施工，本设计对计算结果进行统计归纳，实际采用值见表3。 若采用保温板进行防冻胀，根据《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL 23—2006）附录A公式（A.0.2）确定保温板厚度。 表3 渠道底板、坡板砂砾石换填层厚度 单位：m 渠名 走向 部位 Ze Zd ε δ0
支渠、斗渠 N-S 阴面 0.40 0.95 0.6 0.08 0.50 0.95 0.8 0.08 阳面 0.40 0.95 0.6 0.08 0.50 0.95 0.8 0.08 底面 0.70 0.96 1 0.08
E-W 阴面 0.50 1.19 0.6 0.08 0.70 1.19 0.8 0.08 阳面 0.20 0.58 0.6 0.08 0.30 0.58 0.8 0.08 底面 0.70 0.95 1 0.08
3、衬砌渠道冻胀设计特点分析 （1）衬砌渠道冻胀与工程区地下水埋深关系密切，渠道设计冻深随地下水埋深与基础之间垂向距离的增加而增加，但当相对距离大于2m 后设计冻深增长缓慢。阴坡设计冻深最大，底面设计冻深其次，阳坡设计冻深最小。 ②设计冻深与当地标准冻深成正比；在其他条件相同的情况下，标准冻深值越大设计冻深值也同比增长。 ③ 基础冻胀量随工程区地下水埋深与基础之间的垂向距离的增加而递减，表明地下水位对衬砌结构的作用是随相对距离的增加而削弱；地下水埋深与基础之间的垂向
