宁夏灌区渠道抗渗防冻胀衬砌形式.doc

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。

据调查，宁夏七十至八十年代修建的渠道衬砌工程，以预制素混凝土板和现浇素混凝土为主要衬砌形式，未采取防冻胀措施至九十年代，因冻害几乎已全部破坏，无法继续使用进入九十年代，特别是 1995 年以后，国家加大了大型灌区节水改造的投入，灌区开始了较大规模的渠道衬砌工程，在各大干渠均进行了局部段落的防渗衬砌，衬砌形式大多为浆砌石基础、预制混凝土板宽缝护坡下铺设防渗膜的复合形式经 2003 年调查，高填方渠道，因地下水位较深，土壤含水量小，在没有采取相应防冻胀措施的情况下，渠道衬砌冻害较轻半挖半填渠道或挖方渠道，由于地下水位埋深较浅，且有渠坡侧向水源补给，基土含 水量较高，其冻害较为严重鉴于半挖半填渠道或挖方渠道冻胀破坏严重，为探索灌区渠道衬砌防冻胀应用技术，消除冻胀破坏，延长工程使用寿命，提高工程投资效益，从八十年代开始，就在支渠上进行了一些防冻胀试验，其中由原西北水科所和宁夏水科所联合主持在大新渠支渠上进行的多种形式的防冻胀试验，经系统观测分析，结合多年工程实践，总结出了适合宁夏灌区支渠及下级渠道防冻胀衬砌模式，如在地下水位较高的支斗渠上采用 u 型或弧脚断面、预制混凝土板或现浇混凝土加铺苯板、膜料等复合衬砌形式；在地下水位较低的支斗渠上采用 u 型或弧脚断面、预制混凝土板或现浇混凝土加铺膜料等复合衬砌形式。

干渠防冻胀衬砌主要是从 1998 年开始，在借鉴国内外先进的防冻胀衬砌模式和考虑本地实际情况基础上，结合工程建设，进行了多种防渗防冻胀衬砌形式试验，同时引进了一些经济实用的新材料、新工艺如在干渠上采用的衬砌结构形式主要有梯形断面护坡素土护底，弧形坡脚全断面衬砌和 u 型全断面衬砌共三类；防渗层为浆砌石基础宽缝混凝土板护坡下铺设防渗膜，u 型断面为全断面宽缝混凝土板衬砌下铺设防渗膜；防冻胀措施主要采用换填砂砾料加铺土工膜、设波纹管及排水管等形式；另外还进行了现浇混凝土护坡、混凝土板绞接衬砌等形式但由于没有完全消除基土冻胀，许多衬砌工程仍存在冻胀裂缝和冻胀位移现象，严 重威胁着干渠衬砌工程的安全和防渗效果因此，进行系统的、多种形式的防冻胀试验，找出防冻胀效果更好、最经济的衬砌形式就变得非常迫切2.灌区渠道防渗工程的冻害类型（1）不同防渗材料修建的渠道防渗层本身，除膜科防渗层外，均含有或多或少的自由水，这种水在负气温下结冰后，每 lcm3 体积增大 0.09m3；尤其是防渗层一般具有一定的吸水性，加之渠道防渗工程经常处于有水的环境中，因此，防渗层又吸入了一定量的水分，而此部分水在负温下结冰后，每 lcm3 体积变为1.09cm3。

因此，由于防渗层本身原有的水或吸（渗）入的水，在负气温下结冰后体积的膨胀使防渗层强度降低，结构破坏，产生裂缝，甚至溃散2）引水式泵站和调水工程的渠道，如引黄工程等，常需在负温下输水运行此时渠水即会结冰开始时只是冰屑和小冰块，随水流而动，它会象刀片一样，反复撞击和切割水面变化区渠坡的防渗层，使其受到不同程度的破坏在寒冷的气温下，冰屑（块）先与渠坡冻结形成岸冰，再向渠中心延伸而形成冰层，水在冰层下运行如上游水中的来冰量大于排冰量时，冰屑（块）将淤积于某一渠道断面处，使过水断面减少，如此继续，渠将被冰封堵，形成冰坝，即会造成水源漫溢，甚至溃渠的事故同时，冰层的膨胀，又会因其冰推力而使渠坡防渗层位移和破坏在来 年消融后，当渠中部冰层融断，仅留与渠坡冻结在一起的悬臂式冰层，且无水浮托时，此悬臂冰体因自重而会将防渗层拉起、错位而破坏3）当渠道防渗工程的基础土壤为冻胀性土，且其含水量大于起始冻胀含水量时，在冬季负温的作用下，由于渠道基土中水冻结后体积的增大，使基土发生隆起，称其为冻胀变形。

当冻胀变形量超过防渗层的允许变形量时，或因冻胀而产生的冻胀力超过防渗层的抗裂或抗拉强度时，防渗层即会裂缝破坏尤其严重的是在渠基土冻结期间，往往由于地下水位较高，或因周围有水源补给时，将会有大量的水向冻结锋面转移和结冰，由于迁移的水分产生的基土冻胀量远远大于基土含水量所产生的冻胀量，故其冻害也大于前者同时，在次年融化后，刚性材料渠道防渗层其裂缝宽度可能有所缩小、隆起高度有所下降，但不可能恢复原状，将有残留变形存在即剩余冻胀量如不及时维修和处理，并继续输水运行，则其冻害将逐年加剧，直至破坏，完全失去工程效益上述三类渠道防渗工程的冻害虽然是并列的，但对工程的危害程度是不同的就冬季不行水的渠道而言，第三类冻害是基本的和主要的；而对于冬季行水的渠道，因渠水有保温作用，故冻害以第二类为主；另外，对具体的工程来说，其冻害不是某一类冻害单一的表现，而往往是几种冻害类型同时作用的结果 3.灌区干渠衬砌破坏情况及原因分析3.1 主要干渠衬砌破坏状况自 20 世纪 70~80 年代开始，对灌区内各大干渠的险工渠段、渗漏严重渠段进行了衬砌，这些砌护多用于防险防冲和渠道水工建筑物的上下游护坡，而且多见于零星衬砌，对渠道防渗起不了多大作用。

至九十年代，这些衬砌渠段因冻害几乎已全部破坏，无法继续使用2002—2003 年对灌区干渠渠道衬砌工程进行了冻害调查，调查范围为 1995 年后投入运行，渠道设计流量大于 10m3/s的干渠砌护工程，调查的内容包括：渠道砌护地点、形式、长度、时间、流量、渠道走向、挖填方、渠道土质、冬季是否积水、工程造价、破坏现状和渠道防冻胀好的建议等内容调查中发现，运行两年以上的衬砌渠道均出现不同程度的冻胀破坏，主要表现为：①鼓胀及裂缝多出现在渠坡坡脚以上 1/4～3/4 坡长范围内和渠底中部当冬季渠道积水或行水时，一般出现在水面附近的渠坡上②隆起架空在地下水位较高的渠段，渠床基土距地下水近，冻胀量大，而渠顶冻胀小，造成混凝土衬砌板大幅度隆起、架空这种现象，多出现在坡脚或水面以上 0.5～1.5m 坡长处和渠底中部由于冻胀隆起，架空，使得坡脚支承受到破坏，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，迭叠 3.2 冻胀破坏原因分析（1）入冬冻结前渠道停水较晚，基土含水量高。

渠道每年 4 月下旬开始行水，直到 11 月中旬开始封冻时才停水，封冻时，基土含水量普遍较高，尤其是渠道靠水面线以下部分，基土含水量更高另外，在地下水位较高的渠段，基土具备地下水迁移条件，由于水份迁移，含水量进一步增加，混凝土预制板背面基土冻胀量随之增大，渠坡和渠底发生冻胀隆起，混凝土板被胀开或胀裂2）混凝土抗冻等级设计标准低从已建的工程破坏情况看，工程的抗冻等级低，混凝土抗冻性能不够特别是中小型工程，对混凝土的抗冻耐久性缺乏足够的认识，是渠道遭受冻融破坏的主要原因3）维修不及时，使冻胀土体继续隆起，使破坏加剧由于对渠道维修工作重视不够，冻胀破坏段得不到及时整治，第二年入冬后，在原已冻胀的基础上继续发生冻胀隆起，使破坏程度增加4）工程质量较差部分衬砌渠道纯属因施工质量存在问题，从而产生冻胀破坏在调查中还发现由于渠道走向不同，接受日照时间的长短不尽相同，所以冻胀危害的程度也不相同另外，在地下水位高于渠底的渠段，冬季渠内积水，反而产生了一定的结冰保温作用，使 冰冻层以下的渠底冻胀很小，甚至无冻胀现象。

4.渠道防渗防冻胀衬砌形式的应用4.1 灌区渠道衬砌应用的形式目前 ， 宁夏引黄灌区渠道防渗衬砌形式多种多样，按衬砌材料和衬砌结构大体可分为以下两大类：（1）衬砌材料分类①塑料薄膜全断面防渗衬砌：此种衬砌形式经济、防渗效果好，适用于一些水流平缓的宽浅式干渠、支干渠，采用底埋式，上覆 30~50cm 填土这种形式具有抗冻、防渗性能好，投资省，施工技术简单，工效高等优点在新建粘性土质的支斗渠上，也可采用塑膜半衬或全衬，防渗效果十分明显②混凝土板护坡、塑膜护底防渗衬砌：此种衬砌形式造价较低、防渗效果好，主要适用于干渠防渗，混凝土板护坡起到防止渠堤冲刷和防渗作用③混凝土板全断面防渗衬砌：此种衬砌形式多应用于支、斗、农级渠道的防渗衬砌，可达到防渗、加大输水流量、缩短输水时间的目的，是灌区应用最多的形式④混凝土板与塑膜复合防渗衬砌：它。