新疆塔里木流域水利灌溉工程防冻胀技术

摘 要：论述了新疆塔里木河流域水利灌溉工程防冻胀管理,并对防冻胀管理中存在的普遍性问题及原因进行了分析，并提出相应的解决方法和有效措施。

关键词：防冻管理；防冻技术；灌溉工程

中图分类号：S274.2 文献标识码：A 文章编号：

新疆塔里木流域气候属寒冷地区。其境内的盆地一年中最冷月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。

通过分析研究，渠道的冻胀破坏是由土壤中的水、土体颗粒物理性质和负温所致。渠道防冻胀处理可通过改变渠道结构形式、改变渠基土体的基本结构、使用新型建筑材料等方法来实现。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，应在今后的渠道设计与施工中不断地总结经验，进一步完善新型材料的防冻理论和总结实际运用经验，为新型防冻材料的大面积推广应用提供条件。

1.灌溉系统防冻胀机理

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先决条件，也是必备条件。在整个胀破坏过程中，水是最活跃的因素。如果地下水埋深浅，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。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。

造成北方防渗渠道破坏的主要原因是冻涨，这种状况与北方灌区普遍进行冬灌、秋浇等有直接关系。冬灌、秋浇一般定额较大，抬高了地下水位，特别是骨干渠道沿线的地下水位有时甚至高于渠底，致使冻涨量过大。国内外渠道防冻涨研究成果和成功经验不少，技术上似乎没有大的障碍，问题在于防冻涨措施的有效性往往和建设费用、运行费用成正比，对于发展中国家尚难以承受。北方灌区渠道防冻涨问题不宜单纯依靠防冻涨措施解决，应提倡针对渠段实际情况采用综合措施解决。例如，骨干渠道两侧地下水补给条件好，水质也较好，可以沿渠布设机井（或埋设水平排水管），将地下水提入渠中，一方面增加了可供水量，另一方面也可有效降低骨干渠道两侧的地下水位，减轻冻涨威胁，比单纯排水的经济性好。

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。

2.灌溉系统防冻胀处理形式

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.灌溉系统设备防冻胀措施

灌溉系统的防冻保护，实际上是在冷冻出现以前，把管道、阀门、喷头里的水排出，以防冻害对灌溉系统造成破坏。在不同的气候条件下，灌溉系统的防冻措施不一样，但一般不外乎以下措施：

3.1采用手动泄水措施

使用这种办法，必须确信灌溉系统设计合理、能满足排水要求。手动泄水阀应安装在主管路最低洼的地方，假若系统有多处低洼地，都应该设置手动泄水阀，一般采用球阀、闸阀或带有堵头的一段管子，而且应保证施工过程中有一定的坡度条件，方便管道内的水汇集到泄水井。若泄水井安装在室外，应保证泄水井的干燥（可以采用井底放置砾石）；若在室内应确保排泄的水量不致于溢出水井。方法是：关闭系统主阀，切断水源，依次打开各轮灌区的控制阀（如电磁阀），减少管路系统水压力，然后慢慢手动开启泄水阀。

注意：对于主阀门或各分区阀门（如电磁阀、闸阀）里的积水就需要采用压缩空气的办法吹出或采用包裹防冻材料的办法处理。对于有些园林喷头（如雨鸟T-Bird、1800系列）有侧面和底部进水两种，当采用侧面进水时，可在底侧设置自动泄水阀，以防止外壳冻裂；对于齿轮驱动的旋转喷头（如雨鸟3500、5004、7005等系列喷头），里面的积水需要人工排（提起升降体、轻微的晃动或拆除喷头来解决）或采用压缩空气的办法。

3.2采用自动泄水措施

在灌溉系统主管路最好安装手动泄水阀，而不要去采用自动装置。自动泄水装置一般安装在支管路或与喷头安装在一起（如采用侧面进水的埋藏喷头）。原理是：每次系统关闭后，自动泄水阀就会泄走喷头或管路里的水（如雨鸟16A-FDV自动泄水阀，开阀压力2m、关阀压力4m）。自动泄水阀若安装在主管路系统会造成灌溉水的大量浪费。

自动泄水阀（阳螺纹接口）应安装在分区电磁阀的下游低洼地，一般每条支管安装1-2个。在管理过程中，应定时检查，以防自动泄水阀堵塞而影响工作。象手动泄水措施一样，对于管路电磁阀或手动阀门清除里面的积水可用压缩空气法、包裹防冻材料或采用阀门拆开的办法，用干布试擦积水。

灌区在农业和农村经济发展中，发挥着不可替代的基础作用，但也面临着严峻的水资源短缺、工程设施老化和实现农业现代化等多方面的挑战，进行以节水为中心的续建配套和改造势在必行。大型灌溉节水改造涉及复杂的社会、经济、环境因素，规划的科学性、全局性、经济性、可操作性显得尤为重要，其中正确把握技术方向，制定科学、合理的技术路线是完成大型灌区节水改造的重要支撑条件。