渠道冻胀处理方式的选择
１、概述
巴音郭楞蒙古自治州位于新疆维吾尔自治区中部，气候属寒冷地区。其境内的焉者盆地一年中最冷月１月份的平均气温为-10℃——-15℃，塔里木盆地1月份平均气温为-7℃——-11℃。由于气候寒冷，兴建的防渗渠道极易受到冻胀的的破坏。预制砼板护面防渗渠和现浇砼板护面防渗渠最易受到冻胀的破坏，浆砌石护面防渗渠和干砌石护面防不渗渠次之。无论是几十个流量的大渠道，还是1个流量的小渠道，都会受到冻胀的危害。有些冻胀危害发生在建成后运行初期的1～2年内，而有些却发生在工程建成末运行之时。冻胀破坏在巴州的2个盆地内均有发生，对渠道的危害也最大。因此进一步研究渠道冻胀破坏的机理，采取有效的措施预防它，对保证各级防渗渠道的正常运行，减少维修养护的费用意义重大。
2、渠道冻胀机理
渠道冻胀破坏是由于渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌而形成，渠基土受冻体积膨胀必须具备以下条件：
⑴寒冷气候区持续的负温条件；
⑵土壤中自由水和毛细水的存在，并且有通畅的水分补给通道；
⑶土壤本身的物理力学性质，包括土的颗粒组成，矿物质成份等。
在以上三个条件中，土壤中自由水和毛细水的存在是冻胀发生的的先决条件，也是必备条件。在整个浆胀破坏过程中，水是最活跃的因素。
从目前受冻胀破坏的渠道来看，基本上位于灌区内，且处于灌区中、下游的居多。这是因为在灌区中下游地区，地下水埋深浅，土壤颗粒细，土体中自由水和毛细水的补给十分充足。一旦气温下降至零度以下，土体中的自由水和毛细水的体积受冻膨胀，引起土体膨胀，顶托衬砌，破坏渠道。
在河区下部，冻胀破坏不但发生在挖方渠道中，在半挖半填渠道中也普遍存在。由此可以看出，毛细水的冻胀性也不容忽视。
综上所述，冻胀破坏是寒冷地区渠道建设中的一大难题，由土壤中的水、土体颗粒物理性质和负温所致，大多发生在灌区的中下部。
3、渠道防冻胀处理形式及比较
3.1渠道防冻胀处理形式
渠道防冻胀处理可通过改变渠道结构形式来实现，即用“Ｕ”形或矩形断面来代替梯形断面。但这种处理形式只适用于小渠道，流量小于1m3/s的渠道。对于大渠道来说，若采用这种处理方式，难免造成造价和施工难度的加大，加大的幅度还较大。
从上述导致土体冻胀的的三个基本因素中，只有三个因素同时具备，才发生冻胀破坏。只要消除其中一个因素，就能防止和减轻冻胀危害。从目前新疆地区的气候条件来看，外部温度不达负温是不可能的，因此只有采取保温措施达到内部不负温。切断冻土地基在冻结前、后的水分补给是过去防冻胀处理常用的法，此外改变渠基土体的基本结构也是保证土体非冻胀性的一种方法。
要切断冻土地基在冻结前后的水分补给，通常是采用高填或排水措施来减少水分的补给。但是由于土体颗粒及物理力学性质的决定，毛细水的作用不可忽视。毛细水往往上升至地下水面以上2～3m的平面上，同样会对渠产生冻胀破坏。例如库尔勒市哈拉苏农场的一个小渠道，流量1.5m3/s，旁边平行有一条深1.5～2m的排水沟，渠道为半挖半填渠道，在施工中就发生了冻胀破坏。因此对于细颗粒土体，要完全切断水分的补给是不现实的，毛细水的冻胀破坏不容忽视。
改变基土的基本结构的办法是进行渠基土的换填，就是用大颗粒的土体填入渠基，将原来的细颗粒土体挖走。这种换填工程量较大，换填厚度一般要大于等于冻土深度。如果在冻土深小的地区使用尚可，若在冻土深较大的地区使用，往往工程量是巨大的。
从目前情况看，任何工程要根本回避和解决冻胀三因素之一，从考虑经济和投资省的情况下，都是非常困难和把握不住的。因此在实际工作中，往往将几种工程措施结合起来使用。即以回避一种因素为主，辅之以回避另一种因素的综合措施进行防冻胀处理。如在汇要两面三刀侧开挖排水沟降供销水分补给的同时，对基土进行一定厚度的换填。用砂或戈壁层加塑膜进行保温，以减少冻胀破坏。
近来随着新型建筑材料的问世，苯板越来越多地应用于渠道的防冻胀处理。苯板防冻胀的主要机理是它具有保温的功效，保证了渠基土不受负温的影响，同上述砂或戈壁层加塑膜保温的原理是一样的。根据现有对苯板的搞冻试验资料，10cm厚的苯板可起到100cm厚砂或戈壁层的保温效果。远大于相当于5～10cm厚戈壁、砂的塑膜的保温效果。
3.2渠道防冻胀处理形式比较
在高地下水位区，即使采取了断绝土壤中水分补给的措施，仍难以保证阻止毛细水的上升，因此还必须采取其它防冻胀处理形式。
对渠基土进行换填是一种防冻胀的处理形式，它即改变了渠基土的结构，又具有一定的保温作用。它的优点是：①当渠道附近有大量换填材料时，造价可能便宜；②由于对渠基进行了彻底换填，当质量达到要求时，可保证渠道永久不受冻胀危害。同时也具有以下缺点：①由于换填厚度大，土方工程量较大，当换填材料运距较远时，造价较高；②施工难度大，清除了渠基原土，换填后的砂、戈壁难以进行夯实，要达到施工规范要求，难度较大；③换填料的质量难以把握，要求回填含土量小于5%的料。采用天然材料，很难寻找料源。若采用人工加工料，则不经济。
若不采用基土回填，只铺设苯板保温，防止渠基土冻胀也是近年来渐渐采用的一种防冻胀处理形式。它只有保温作用，不对基土进行回填。具有以下优点：①抗冻效果好，采用10cm的苯板即达到了换填100cm砂或戈壁的保温效果；②施工方便，渠道开挖断在小。不对基土进行拢动，直接将苯板置于基土上，在苯板上直接进行衬砌材料的施工；③在一定条件下造价便宜，使用的施工机械少，人工省。采用苯板，不进行基土换填，避免了大量土石方机械的使用。当基土换填材料运距大于一定距离时，其造价低的优势立即显现。苯板防
冻胀材料的缺点是：在一定条件下，同换填相比，造价较高。当基土换填材料运距小于一定距离时，其造价明显高于换填处理。
拿开都河第一分水枢纽北岸干渠为例。该渠道为开都河第一分水枢纽配套输水渠，长km，输水流量m3/s。
4、苯板防冻胀成功几例
4.1库塔干渠西干渠
库塔干渠是开~孔河流域灌区的一条主要的灌溉渠道，主要承担向孔雀河下游灌区的输水任务。干渠由总干渠、东干渠、西干渠组成，目前建设完成了总干渠和西干渠，东干渠即将建设。总干渠长17.8km，上段设计流量为35m3/s，加大流量40 m3/s；下段设计流量30m3/s，加大流量35 m3/s。西干渠长38km，设计流量20~10m3/s，加大流量23~10 m3/s。库塔干渠灌溉着库尔勒市、尉犁县37.52×104亩的土地面积。
西干渠为梯形断面，渠深3.3m，底宽2.15m，边坡为1:1.5，水深为2.59m。两边渠堤宽度为2.5m，渠道外边坡也为1:1.5。渠道衬砌采用70mm厚的C20预制砼板，砼板下部为60mm厚的苯板用于防冻胀。
渠基土为粉细沙，颗粒细，保水性好，属冻胀土。经苯板防冻胀处理后，经过8年的运行，未发生冻胀破坏。
4.2开都河第一分水枢纽北岸干渠
是开都河第一分水枢纽的配套输水干渠，开都河第一分枢纽合并了开都河两岸多座无坝引水龙口，使两岸引水得到了统一管理。北岸干渠全长22.9km，设计引水能力32m3/s，灌溉面积47.55×104亩。它连接了第一分水枢纽及北岸的四条引水干渠，使枢纽发挥作用，实现了用渠道输水代替河道输水。渠道为梯形，底部为弧形。渠深为2.4m，圆弧形底深0.4m，梯形深2.0m，渠底宽为3.0m。渠道内边坡为1:1.75，渠堤顶宽为2.0m，其中封枯板宽为0.6m。渠道衬砌采用现浇砼板，板厚10cm。根据各渠段地基土的情况，渠道防冻胀采用了不同的形式。上段8km采用基土换填的处理方式，下段根据需要，有的地方在弧形底板下部布设了10cm厚的苯板，有的地方在边坡上布设了苯板。渠道上段完工后，发现部分渠段出现了断板和冻胀现象。分析原因，基本上可以得出如下结论：断板原因为换填基土密实度未达设计要求，再加之施工单位偷工减料板厚未达设计厚度所致；冻胀原因为换填基土耒达设计要求的级配，内含细颗粒较多而造成。因此渠道防冻胀形式若采用换填的处理方式，则换填土的本身质量及施工质量对渠道能否正常运行关系较大。在施工过程中，应严格控制，但受施工条件的限制，这些要求达到的难度较大。北岸干渠下段采用苯板防冻胀，施工方便，防冻胀效果较好，但缺点是同换填相比较，造价较高。
4.3尉犁县塔里木北干渠
塔里木北干渠位于尉犁县境内，建于20世纪50年代，是尉犁县主要棉区——古勒巴格乡、团结乡、塔里木乡的灌溉渠道，灌溉面积为11×104亩。干渠现为土渠，长24.814km，渠道纵坡1/6000~1/8000，过水流量为5m3/s，过水断面为20m2，流速0.3m/s。渠道渗漏严重，渠道水利用系数为0.85。
计划对该干渠进行防渗改造，采用砼板防渗。由于渠基土为龙四系粉细砂、粉土、粘土，再加之地下水埋深浅，因此渠道受冻胀的威胁较大，防冻胀设计龙其重要。
渠道底宽1~2m，渠深1.86~2.35m，边坡1:1.5~1:1.75，渠堤宽2.5m，封顶板宽0.3m。渠道防渗采用80mm厚的C20预制砼板。防冻胀采用了两种形式比较，一种为砼板下铺60mm厚的苯板保温，一种为渠基换填40~60cm的砂砾垫层防冻胀。
苯板从库尔勒市购进，平均运距67km，砂砾料从尉犁县与库尔勒市交界处的希尼尔地区拉运，平均运距30km。两种方案的渠道断面相同，经比较，苯板方案总投资为2611.67×104元，换填砂砾料方案总投资为3110.41×104元。方案一具有投资省、施工简单的特点，因此塔里木北干渠的防冻胀采用铺苯板保温的设计形式。
5、结语
对渠道防冻胀处理方式的选择，关系到渠道的造价和施工的难易，必须慎之又慎。苯板作为一种新型的渠道防冻胀处理方式，具有其独特的优点。现阶段巴州对苯板的运用还刚开始，一切还处于试验摸索阶段。虽然已有成功的运用例子，但需在今后的渠道设计与施工中不断地总结经验，进一步完善苯板的防冻理论和实际运用经验，为这一新型防冻材料的大面积推广应用提供条件。（考试考试网编辑整理）
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