谈渠道的防冻胀处理方法

【摘 要】近几年，我国水利部更多的关注水利渠道建设，相关人员调查了部分地区的水利渠道设计、运行情况。通过分析发现，导致其出现冻胀破坏的原因是负温与土壤中土体颗粒和水的物理性质因素。通常在设计渠道时要做预防冻胀处理，其方式的选择会影响到施工的难易与渠道的造价，甚至会关系到整个工程的质量，具有十分重要的意义。文章简要介绍了渠道冻胀机理与几种防冻胀处理形式，为建设渠道提供参考。

【关键词】渠道；防冻胀处理；机理；形式

渠道承担着排灌的重要任务，如果发生冻胀，不仅会使地面变形，渠道也很可能被破坏，因此在设计和施工环节应积极采取措施预防冻胀破坏。现阶段我国在这方面的研究成果显示其防冻胀处理形式主要包括采用新型建筑材料、将渠基土体的基本结构改变以及改变渠道结构形式等。只有在渠道的建设过程中不断探索，积累经验，使防冻理论更加完善，才能在渠道的实际施工中做到对冻胀破坏的预防。

1 渠道冻胀机理

当渠基土受冻后其体积会发生膨胀，顶托衬砌，进而造成渠道冻胀破坏，渠道发生冻胀需满足以下条件：

（1）所处地区气候寒冷，满足持续负温条件；

（2）土壤中存在毛细水与自由水，同时其水位补给通道保持通畅；

（3）土壤中的矿物质成分、土的颗粒组成等土壤本身的物理力学性质满足一定条件。

其中对渠道水分条件产生影响的情况有两种，第一是渠道渗水导致出现较大含水量，第二是偏高的地下水位导致出现较大的含水量。在上述条件中，发生冻胀的必要条件和首要条件就是存在毛细水与自由水，相关资料显示，水同时存在于总、干渠道中。由于灌区中上游与总干渠的上游地下水埋深不深，有较细的土壤颗粒，土壤中毛细水与自由水在受冻后体积膨胀，导致土体膨胀，顶托衬砌，进而渠道被破坏。这种情况不仅在挖方渠道中会出现，它也普遍存在于半挖半填中的渠道中，因此在设计施工中必须重视毛细水的冻胀性。总而言之，在寒冷地区建设渠道的一个难点问题就是冻胀破坏，它是由负温与土体颗粒与土壤中的水的物理性质造成的。

2 渠道的防冻胀处理方法及其比较

2.1 渠道的防冻胀处理方法

改变渠道结构形式是渠道防冻胀处理的一种方法，一般将梯形断面采用矩形断面或“U”形断面来代替。但是这种处理方法的适用范围较小，只能是小流量渠道，如果使用该方法进行处理，会在较大幅度上加大造价与施工的难度。由渠道的冻胀机理可以发现，只有同时具备负温、水与土体颗粒的物理性质渠道中才会出现冻胀破坏。如果有一个条件被消除，冻胀危害就能得到防止或减轻。因为寒冷地区通常不可避免外部负温，所以必须采取保温措施使内部不出现负温。以前常用的防冻胀处理方法就是将冻胀土地基在冻结之前与之后的水分补给切断，另一种使土体的非冻胀性得到保证的方法还包括将渠基土体的基本结构改变。

据以往的经验可知，为了将冻胀土地基在冻结之前与之后的水分补给切断，一般在减少水分补给时需要采用排水措施或高填措施。然而因为土体颗粒本身的物理力学性质的影响，必须要重视毛细水的作用。如果渠道附近地段地下水水位变化的幅度范围较大，冻胀破坏就很可能出现在渠道之中。而且当渠道附近有大面积的农田时，因为其土体颗粒较细，所以通常无法将水分补给完全切断，必须对毛细水的冻胀破坏进行分析研究，以便采取相应措施。

渠基土的换填是目前使渠基土的基本结构出现改变的主要方法，也就是在渠基中填入大颗粒的土体，并挖走原有的细颗粒土体，实用这种方法进行换填处理时会有较大的工程量，通常换填厚度不能比冻土深度小。因此该方法虽然可以在小深度冻土地区，但在较大深度的冻土地区并不能使用，会消耗大量财力人力。而且，还应当对工程地址周围有没有可以进行换填的土体料进行考虑。以我国现阶段对该问题的研究成果为基础，可知对上述三个冻胀因素中的任何一个进行根本的回避与解决都是很难完成的，尤其是将经济与投资纳入考虑因素时，具有很大的难度。因此在具体的施工过程中，应结合这几种因素采取综合措施进行预防。也就是在主要回避一种因素的同时要以回避另一种因素作为辅助措施，对冻胀进行综合预防处理。例如对一定厚度的基土换填的同时在渠道两侧挖排水沟，使水分补给降低，在进行保温时可采用砂砾石或砂加塑料膜，使冻胀破坏减少。最近几年逐渐产生了几种新型建筑材料，其中在防冻胀处理中广泛应用了苯板材料。其原理与传统的砂砾石或砂加塑料膜的保温方式相同。相关的苯板抗冻试验资料显示，100cm厚砂或砂砾石与10cm厚的苯板具有相同的保温效果，同厚度时后者的效果远大于前者。

2.2 渠道防冻胀处理方法的比较

根据之前叙述，即使在高地下水位区采取一些措施，如断绝土壤中水分补给也很难解决阻止毛细水上升的问题，所以为了保证有效的解决这问题，就必须采取其他有效的防冻的处理方式。

其中一种防冻胀的处理形式就是换填渠基土，这种形式不仅具有很好的保温作用，也能够对渠基土的结构进行改变。这种形式有很多优点，第一，大量换填材料在渠道附近时可节约成本；第二渠道在渠基彻底进行换填时，如果质量能够达到指定要求时就能够永久不受冻胀的危害。但是这种方式也具有一些缺点，例如当土方工程量比较大时，运输换填材料比较远时以及进行厚度大的换填就会导致造价很高；施工有较大难度，需要严格按照规范要求进行施工，将渠基原土清除之后很难夯实换填之后的戈壁料和砂；很难把握换填料的质量，通常要求材料的含土量低于5%。如果使用天然材料，料源难以得到保障，如果使用人工加工料，则成本过高，比较不经济。

部分工程项目只采用铺设苯板进行保温逐渐代替了基土的回填，也慢慢的成为了防止渠基土发生冻胀的一种非常常用的防冻胀的处理形式。苯板的铺设不对基土进行回填，而是只起到了保温的作用。这种处理形式具有抗冻效果好，换填100cm砂或砂砾就能被10cm的苯板的效果所取代；渠道开挖断面小使得施工方便，不用对基土扰动，直接用苯板置于基土上进行施工，施工十分方便；使用施工机械非常少，并且一定条件下的施工造价也比较低。由于使用苯板时不需要换填基土。即不必使用大量土石方机械，当需运送的基土换填材料距离较远时，该方法节约造价的优势就变得十分明显。但是苯板防冻胀的材料也有一些缺点，例如高地下水位的渠道防冻胀效果不明显，一定条件下相比换填土而言造价比较高。

3 结语

总而言之，选择不同的渠道防冻胀处理方式会对施工的难易与渠道的造价产生影响，应当谨慎选择。现阶段渠道防冻胀处理的一种新的方法就是采用苯板，有一定的独特性，虽然部分地区对该方法的运用仍处于试验阶段，但其前景良好，应用范围广。另外，在选择防冻胀处理的各种方法时应以渠段地下水埋深与地基土的具体情况为依据，在防冻胀的同时还需做到防渗，使渠系水利用系数提高，达到节水增效的目的。

参考文献：

[1]李延革，杨革.季节冻土区灌区水建筑物冻害破坏原因及防治措施[J].黑龙江水专学报，2012（3）.

[2]陈广新.渠道冻胀处理方式的选择[J].水利规划与设计，2013（3）.

[3]张东.渠道冻胀处理方式的选择与应用[J].农业科技与信息，2012（14）.