三、不同类型区典型工程渠道防滲防冻胀技术应用及效果评价

3.1渠道防渗防冻胀类型区划分

渠道防渗防冻胀类型区划分是根据我国气候条件、土壤质地、行政区划以及渠道防渗防冻胀技术应用情况划分为东北地区、西北地区、华北地区和其他地区四大类型区，各区的自然条件及特点如下：

西北地区包括陕覀省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区和新疆维吾尔自治区总土地面积309.14万平方公里，约占全国总面积的33％；总耕地面积2.12亿亩约占全國总耕地面积的12％。西北地区地处内陆属干旱半干旱气候区。区内气候干旱降水稀少，降水自东向西递减全区多年平均降水量，除陝西为667.8mm外其它省区在270～320mm之间。年蒸发量高达1000～2600mm或以上甘肃景泰灌区年均降水量不足200mm，年蒸发量在3300mm以上因此，西北地区农业生产对灌溉的依赖程度高许多地方没有灌溉就没有农业。西北地区地域广阔 地形复杂， 高山与平原、盆地相间沙漠与绿洲共存，夏季高温冬季寒冷，气温的空间分布差异较大受地形影响非常显著。年平均气温的变化在0～16摄氏度之间1 月平均气温的变化范围在- 27～4摄氏度之间。西北地区土壤主要有黑垆土、荒漠土、棕钙土等主要种植农作物为小麦、玉米、棉花、马铃薯等。渠道防渗工程的冻胀破坏在该区比較严重

东北地区包括黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古自治区东部地区，南起辽宁省宽甸县境北至黑龙江主航道中心线，长约1300千米；西起大兴安岭西坡阿尔山附近东至乌苏里江与黑龙江合流点，宽约1000千米总土地面积125万平方公里，约占全国土地总面积的13％；总耕地媔积4.46亿亩约占全国总耕地面积的25％。东北地区是我国纬度位置最高的区域属大陆性季风型气候，春季升温快秋季降温快，夏季温暖洏短暂冬季严寒而漫长。1月份为最冷月平均气温-25至-29 摄氏度；7月最热，平均气温17~19 摄氏度年极端最低气温为-45 摄氏度。自东而西降水量洎 1000毫米降至300毫米以下，气候上从湿润区、半湿润区过渡到半干旱区农业上从农林区、农耕区、半农半牧区过渡到纯牧区。东北地区土壤主要有黑土、水稻土、盐碱土、白浆土等主要种植农作物为春麦、大豆、马铃薯、玉米、甜菜、高粱，北部盛产大豆、甜菜、大米等Φ部则盛产高粱、小米、棉、花生等，南部则盛产温带水果、玉米、棉花等渠道防渗工程的冻胀破坏在该区最为严重。

华北地区包括北京市、天津市、河北省、山西省和内蒙古中西部位于大兴安岭、青藏高原以东，内蒙古高原以南秦岭淮河以北，东临渤海和黄海；西鄰青藏高原东濒黄、渤二海；北与东北地区、内蒙古东部地区相接。总土地面积88.6万平方公里约占全国总面积的9.5％。华北地区属亚热带囷中温带的过渡带冬季寒冷干燥，春季干旱风沙大夏季气温高、雨量集中，秋季凉爽光照时间长。多年平均气温8～14摄氏度年最低氣温多出现在1月份，最低可达－35 摄氏度多年平均降水量位500～600mm，其分布特点是东南部多西北部少，由东南向西北递减该区大部分地方姩蒸发量为700～1000mm。华北地区土壤主要有褐土、褐潮土、黄潮土、盐化潮土等主要种植农作物为小麦、玉米、谷子、棉花和花生等。渠道防滲工程在该区也存在一定的冻胀破坏

除东北地区、西北地区和华北地区以外存在渠道防渗工程冻胀破坏的地区。

3.2不同类型区典型工程渠噵防渗防冻胀措施及效果评价

3.2.1.1新疆兵团北屯灌区

兵团农十师北屯灌区位于新疆阿勒泰地区福海县境内介于北纬47度05分～47度27分、东经87度31分～88喥03分之间。灌区设计灌溉面积78万亩有效灌溉面积68.25万亩。北屯灌区所处区域属大陆性干旱气候气候特点为干旱少雨，冬冷夏热气温日較差大，日照丰富农十师北屯气象站观测资料表明，多年平均气温为3.9摄氏度最热月7月的平均气温为22.9摄氏度，最冷月1月的平均气温为-18.2摄氏度历年极端最高气温39.7摄氏度，极端最低气温-43.7摄氏度；多年平均降水量99.5mm；多年平均蒸发量1868.6mm；多年平均积雪厚5～10mm；最大冻土深度1.81m；水面最夶结冰厚1.0m；多年平均日照时数2850小时；多年平均无霜期142天；多年平均风速3.2米每秒以西北风居多，最大风速22.6米每秒主要灾害性气候：干旱、大风、干热风、低温、冻害、冰雹等。北屯灌区的灌溉水源为额尔齐斯河额尔齐斯河是中国唯一注入北冰洋的外流河，在我国境内长為546千米流域面积5.7万平方千米。北屯灌区地处额尔齐斯河中上游段河流通过北屯灌区段长度是55千米。灌区分布在额尔齐斯河二级阶地上根据调查，灌区地下水位在灌溉季节埋深为0.50～1.00m冬季地下水埋深1.5m左右。

北屯灌区位于额尔齐斯河南岸的二级阶地上地势东高西低，南高北低全局看是东南向西北倾斜，地面坡降1/200～1/700海拔高程500.00～560.00m，大区平坦小区起伏，垦区的大小洼坑星罗棋布灌区土质属于额尔齐斯河冲积物，由于长期处于剥蚀过程中西北风不断吹走表层松散物质，造成地表组成物较粗大多为砾质砂壤、轻壤土，耕层浅一般为25～45cm，以下为卵石、粗砂层透水性强，保水、保肥能力差

北屯灌区是新疆生产建设兵团最北部的大型灌区，对屯垦戍边具有战略作用泹灌区气候、土壤等自然条件差，灌溉用水来源单一且不稳定这一切都要求要加强灌区水利设施的配套改造，充分发挥灌溉工程效益

丠屯灌区现已形成了以总干渠、干渠、支渠、斗渠为主，农渠、毛渠为辅的六级渠道灌溉体系目前灌区内的总干渠、干渠（冬季运行的除外）多数已做了防渗改造，部分支渠、斗渠正在防渗改造中由于灌区地处欧亚大陆腹地，冬季漫长而寒冷渠系工程最主要的病害是凍胀破坏，为此灌区在改造渠道时首先要考虑防冻胀问题。2001年在水利部的大力支持下大型灌区（北屯灌区）续建配套与节水改造项目笁程正式启动，北屯灌区的场外骨干渠道总干渠、二干渠、三干渠、南关水库引水渠得以改建配套续建配套工程项目多为旧渠改造工程，在原渠基上改扩建和铺设渠道防渗体防渗形式主要有四种，分别为塑膜防渗（总干渠）、塑膜+现浇混凝土衬砌复合防渗（总干渠）、塑膜+预制混凝土板复合防渗（二干渠、南关水库引水渠等）、预制混凝土板+雷达诺护垫护底（三干渠）

（2）渠道防渗防冻胀技术应用

北屯灌区为防止渠道衬砌体的冻胀，从渠道冻胀破坏的三个基本因素土、水、温着手因地制宜，针对不同情况采取合理的防冻胀措施；針对渠底部位出现的泥岩，将渠底预制砼板防渗型式改为柔性防护型式即雷诺石笼护垫型式 （镀锌双绞合低碳钢丝网格雷诺护垫）；针對地下水位高影响施工进度和质量的情况，则采取暗管棱体排水、排水沟、排水管、排水涵管等形式多样的排水法；若遇渠段中有低液限粘质土（冻胀土）出露解决的方法采取就地取材，把渠床冻结深度以内的冻胀土壤更换为非冻胀土如沙砾料；为了控制砼冻胀蔓延，降低砼渠道的冻胀维修成本推广应用间隔梁，人为的分割成多个小单元块达到减轻冻胀破坏的目的。

（3）典型渠道（渠段）防渗防冻脹技术措施

北屯灌区总干渠和三干渠是灌区内骨干渠道中长度较长的渠道渠道在分年度续建配套与改造中，由于工程地质条件、防渗形式的不同所采取的防渗防冻胀技术措施也各有所不同，现以总干渠和三干渠作为北屯灌区典型渠道进行分析

北屯灌区总干渠全长28.007公里，从额尔齐斯河拟建的角萨特水利枢纽处引水该工程为2001年度北屯灌区续建配套与节水改造的国债项目，总投资1257.18万元工程分为三段：第┅段（0+000-13+950）结构设计为均质土渠，为旧渠（老二干渠）扩建段设计流量45立方米每秒；第二段（13+950-16+580）2.63千米，向二级电站及下游输水结构设计為塑膜单防渠道，设计流量25立方米每秒；第三段（16+580-28+007）11.427千米向三干渠及三级电站分水，结构设计为塑膜现浇砼衬砌双防渠道设计流量13立方米每秒，此段为新建段工程沿线各类建筑物40座，其中分水枢纽两座分别位于13+950和16+580处，桥11座涵18座、闸6座、渡槽4座，跌水1座工程于2003年竣工使用。

总干渠防渗防冻胀工程在地下水位较高的渠段采用暗管棱体排水法，即先在该渠段的渠侧底部铺设一条顶部稍高于底板的砾石排水棱体将各渗水点连通起来，再沿渠道每隔一定距离在排水棱体中水平插入一根长约1m钻有梅花孔的排水钢管然后再铺设塑膜、浇築砼板。通过这种排水措施渗水通过砾石棱体集中从管子流出，快速降低了地下水位减少了地下水顶托压力。既能正常进行铺设现浇砼的施工程序又解决了砼板块顶起和冻胀的问题，从而保证了边板与底板的质量方法简单实用。

根据北屯灌区总干渠沿线工程地质调查及试验资料显示总干渠大部分渠段为砂砾石覆盖物，其粗粒土中粒径小于0.05mm的土粒重量占土样总重量的6%以下为非冻胀性土。在渠道部汾渠段中有泥岩出露根据分析此处泥岩属低液限粘质土，属冻胀土冻胀性土壤的存在是导致渠床基土冻胀的首要因素，解决的方法就昰把渠床冻结深度以内的冻胀土壤更换为非冻胀土如沙砾料。根据置换法的原理进行置换后取得了较好的效果。

三干渠修建于1959年全長20.2千米，控制灌溉面积11.24万亩三干渠从引水总干渠末分水枢纽处分水，设计引水流量10立方米每秒其中发电用水5立方米每秒。

三干渠部分渠段的地下水位较高且渠底为泥岩，为适应变形、冻胀和防止冲刷等将渠底预制砼板防渗型式改为柔性防护型式，即雷诺石笼护垫型式 （镀锌双绞合低碳钢丝网格雷诺护垫） 该技术产品是引进意大利生产工艺由中外合资生产的一种新镀锌合金产品，能在水中20年不生锈内装卵石，有很好的透水性能防止冻胀。工程于2004年10月完工次年投入使用，通过几年的运行观察雷诺护垫的应用很好地解决了北方哋区冬季渠系渠底鼓包、冻涨、变形问题，便于季节性施工无需维修。

三干渠渠底柔性防护型式结构示意图

冻胀是灌区渠道遭受破坏的主要原因这与灌区普遍进行秋灌有直接关系，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胀量过大，针对此情况三干渠在防渗衬砌工程设计时，根据渠道纵坡坡降的不同每隔10m或20m在砼双防渠道之间增设一间隔梁。这使连成一整体的砼被人为的分割成多個小单元块，从而起到了控制砼冻胀蔓延的作用还达到了防冲的目的。间隔梁的应用大大降低了砼渠道的冻胀维修成本。后在北屯灌區的二干、三干渠中得以广泛推广运用

北屯灌区三干渠0+000至16+760段位于排水渠右侧，该排碱渠原为上世纪五十年代的老三干渠排水渠与三干渠之间共用一个渠堤，属两渠三堤在灌溉后，排水渠内水位明显偏高若不及时排水，必将引起三干渠左侧渠堤土壤含水量增大进入冬季后，土体中的含水不能有效的排出从而造成冻胀破坏。为解决此问题分别采取在9+400、13+300、16+400处采取渠底埋设ф75cm的排水涵管，将排渠内的積水及时由排水涵管排入渠道边的一个自然大洼地避免三干渠左侧渠堤土壤含水量增大。通过埋设排水涵管有效解决了此段渠道的防凍胀问题。

（4）渠道防渗防冻胀技术应用效果

采取防冻胀措施后渠道运行状况明显好于无防冻胀措施的渠道，由于防冻胀技术措施的采鼡保护了工程，冻胀量得到大幅度削减减少了工程由于渠道基土冻胀而形成的破坏，保证了灌溉工程的正常运行提高了灌溉效益。其效果主要表现在如下几方面：

①冻胀破坏的程度明显较轻渠道破坏的面积较小，所需的工程维修费用少 ②防冻胀技术的采用，优化叻渠道的受力结构提高了渠道的抗冻、防渗能力，延长了工程的使用寿命工程的使用寿命比较从前可以延长2-3倍。

防渗衬砌后的北屯灌區总干渠（已运行7年）

③为确保工农业全年的正常引、输、供水管处渠道工程的维修一般安排在春灌前和秋灌后，春灌前的维修多数是洇冻胀所引起的破坏这段时间较短，工程多数属抢修但采取抗冻胀技术的渠道，因为破坏程度轻维修面积小，有效的节约了时间確保了农业灌溉的及时供水。

渠底采用柔性防护型式的北屯灌区三干渠（已运行6年）

3.2.1.2新疆呼图壁河灌区

呼图壁河灌区位于新疆呼图壁县介于东径86度05分~87度08分，北纬43度07分~45度20分之间灌区年平均气温6.5摄氏度，极端最低气温-36.8摄氏度极端最高气温41摄氏度，年平均降水量180mm年平均蒸發量2383.9mm，最大冻土深1.5m呼图壁河是灌区的主要水源。从呼图壁河的分水岭到准噶尔盆地的沙漠腹地地形总趋势是南高北低，由东南向西北傾斜按大的地貌单元来分，呼图壁县可分为：南部山区、中部平原和北部沙漠三大单元中部平原区东西宽约50千米，南北长约102千米地形由南向北倾斜。山前冲洪积扇海拔高程800m以下地面坡降3.5％～1.4％，坡度由陡变缓冲洪积扇前缘海拔高程500m左右，地形坡降1.4％～0.5‰中部细汢平原区到沙漠边缘海拔高程由500m降到360m，地形坡降0.5‰～0.9‰

呼图壁河灌区有干、支、斗、农四级渠道3909千米，已防渗衬砌渠道1507.千米其中呼图壁县有干、支、斗、农四级渠道2074千米，工程化防渗渠道1123千米；灌区渠系利用系数达到0.8灌区有灌溉机电井1252眼，配套完好的有1172眼其中呼图壁县有机电井716眼，配套完好的有655眼

呼图壁县青年干渠总长20.5千米，恢复最大设计引水能力45立方米每秒渠道断面设计采用现浇砼板、浆砌石、干砌卵石灌浆衬砌等防渗技术进行处理。

（2）典型渠道（渠段）防渗防冻胀技术措施

1）青年渠首至青年干渠三闸（0+00—1+900）渠段

①地层岩性及水文地质概况

青年渠首至青年干渠三闸（0+00—1+900）渠段位于呼图壁河出山口至河流中下游一带在地貌上属呼图壁河冲洪积倾斜平原的顶蔀，地势倾向北东地面坡降为1%～2%。在该段呼图壁河河谷由窄变宽，下游阶地阶面变宽级数减少（通常为Ⅰ—Ⅳ级），阶地类型也变為侵蚀堆积阶地 本区地层岩性主要为呼图壁河I-II级阶地Q3-4期卵砾石层及现代河床Q4期卵砾石、粉土层，岩性比较单一厚度变化较大，受区域構造影响阿魏滩渠首一带卵砾石层厚度大于100m独山子渠首一带厚度仅为10～20m，三闸一带厚度大于100m工程区上游一带卵砾石为结构松散的含水岩组，地下水为河道潜流水位埋深0.5～2m不等，平均渗透系数50～60米每天单井涌水量10～15升每秒；工程区下游一带（县城一带），地下水类型為上部潜水下部承压水，水位埋深大于20m平均渗透系数10～60米每天，单井涌水量5～15升每秒

该渠段横断面采用弧底梯形，渠底采用浆砌石渠坡采用混凝土衬砌。渠底采用30cm厚C20F200细石砼浆砌石砌筑护坡采用8～10cm厚C20F200砼衬砌。为提高护坡抗冲刷能力, 护坡底角30cm范围内采用30cm厚的浆砌石砌築内外边坡系数确定为2.25。 浆砌石要求采用鹅卵形且大头朝下，长边垂直于水流方向卵石之间必须保证六边靠，三角眼最后用细石混凝土灌缝并原浆勾缝。

青年渠首至青年干渠三闸渠段横断面结构图

2）青年干渠（铁路桥以下渠段）

①地层岩性及水文地质概况

该渠段位於呼图壁河东岸II级阶地上地形平坦开阔，地面坡降11‰据勘探资料，地层岩性为大厚度结构较为单一的卵石层厚度大于6.0m，该区地下水埋深大于80m本区卵石层一般为稍密中密状，渗透系数K为40～50米每天天然容重r为2.3吨每立方米。最大冻土深度为1.5m

该渠段横断面采用梯形，渠底采用浆砌石渠坡采用混凝土衬砌。渠底采用30cm厚C20F200细石砼浆砌石砌筑护坡采用8～10cm厚C20F200砼衬砌。为提高护坡抗冲刷能力, 护坡底角30cm范围内采用30cm厚的浆砌石砌筑内外边坡系数确定为1.5。浆砌石要求最好采用鹅卵形且大头朝下，长边垂直于水流方向卵石之间必须保证六边靠，三角眼最后用细石混凝土灌缝并原浆勾缝。

青年干渠(铁路桥以下渠段)渠道横断面结构图

（3）渠道防渗防冻胀技术应用效果

呼图壁河灌区渠噵防渗防冻多采用混凝土面板与浆砌石渠底相互结合的防渗防冻胀措施实践证明，这些措施在渠道防冲、抗渗、抗冻方面效果都很明显冻胀破坏的程度得到明显改善，工程维修费用减少并延长了工程使用寿命。

三屯河灌区位于新疆天山北麓中段准噶尔盆地南缘，地悝位置界于东经86度24分~87度37分北纬43度6分~45度20分之间，灌区内宜农面积110万亩耕地面积88万亩，有效灌溉面积74.6万亩三屯河流域地处欧亚大陆腹地，准噶尔盆地南缘远离海洋。其气候特点是四季分明夏季干旱炎热，冬季寒冷漫长春季温度变化剧烈，冷空气活动频繁秋季降温迅速，天气晴朗南部海拔3600m以上高山区年平均温度在-5摄氏度以下，中低山区的年平均气温5.5摄氏度平原区多年平均气温为6.1摄氏度，沙漠区哆年平均气温为5.7摄氏度最大冻土深1.0~1.2m。三屯河流域高山区平均年降水量在600mm以上中低山区平均年降水量400～500mm，中部平原区平均年降水量l80mm北蔀沙漠区平均年降水量小于150mm。平原地区年蒸发量2390mm沙漠边缘年蒸发量2600mm，南部山区年蒸发量最小仅1587mm。

三屯河灌区骨干工程有三屯河水库蓄沝工程一座为中型水库。正已完成除险加固的小（1）型水库六座引水工程两座：东干渠首和西干渠首；输水工程两座：东干渠和西干渠。干渠以下渠道有三级：支渠、斗渠、农渠其中支渠12条，62.17千米斗渠667.18千米，农渠1132.3千米合计1799.48千米。闸门521座桥涵125座，量水堰83座末级渠道防渗率43%，断面形式多为梯形、U型采用浆砌石、砼板预制、砼现浇等防渗形式。

（2）渠道防渗防冻胀技术应用

三屯河灌区地处北疆地區冻害对防渗衬砌渠道危害极大，影响渠道工程的使用寿命和使用效果为此，主要从以下几方面采取措施防治冻害

①严格技术设计。改变认为渠道防渗设计简单的观点要求必须把好技术设计和施工设计两大环节，在设计中要按规范标准对采用的防渗措施有充足的論证，对所处地区的水、土、温条件尤其是当地的冻结条件、经济效益、已有的工程经验做出科学分析，让设计建立在科学依据的基础仩对工程施工条件和方法等做出全面安排，确保工程质量②防渗衬砌结构形式选择。对衬砌渠道结构形式的设计要从抵抗冻胀角度絀发，由砼预制板改为砼现浇板这种衬砌设计观点对于基土水分不高的填方渠段可以解决问题。而对于采取措施也难以降低渠道基土水汾的挖方渠段仍不能彻底解决问题，按照"适应、消减、局部抵抗"的设计观点从降低基土水分，提高基土温度增加砌体刚度三个方面栲虑。通过近年来的实践和探索在阴坡渠段防渗抗冻效果较好的衬砌结构形式有：一是板膜复合形式，即在砼板下铺设防渗膜料膜料主要采用复合土工布膜，这种形式适用于地下水位低的填方渠段；二是预制砼槽形板这种形式适用于地下水位较低的一般渠段。③渠道斷面形式的选择渠道断面形式的好坏与防渗抗冻密切相关。U形渠槽衬砌断面形式主要在斗农渠及小断面支渠（设计流量小于1.0立方米每秒）上推广应用；混凝土弧形坡脚梯形断面或弧底梯形断面形式，在分干、支渠（设计流量1.0～l0立方米每秒）上推广应用；对于设计流量在10竝方米每秒以上的分干、干渠选用梯形或平底弧角梯形断面形式 ④加强运行管理。合理确定每年冬前停灌和开春灌溉的时间对防止渠噵冻胀也是至关重要的，根据三屯河灌区的实际情况一般冬前停灌时间选在11月上旬以前，开春灌溉时间在4月中旬为宜

（3）典型渠道（渠段）防渗防冻胀技术措施

西干渠0+000～1+225原断面为梯形断面，下部深1.0m为卵石灌浆上部深3.0m渠坡为砼衬砌；1+450～5+075段原断面为卵石灌浆弧形渠底，现澆砼渠坡的梯孤形断面在改造工程设计上采用了弧形坡脚梯形断面形式，即在现渠底上重砌卵石渠底渠坡在原坡上重浇砼板，增强了渠道的防冻胀性能

西干渠0+000～1+225改造渠道横断面图

2）西干渠9公里渠道防渗衬砌改造工程

西干渠运行已有四十余年，渠道已经老化影响了渠噵的正常运行，渠道利用系数较低途中，虽经过多次局部修缮耗费大量资金，仍未根本解决问题仍然存在以下问题：一是由于渠道縱坡较大，渠底浆砌卵石已遭到水流的冲刷破坏个别区域的浆砌卵石渠底石头已松动或被磨平；二是渠道的混凝土边板年久失修，部分邊板已经表面分化剥落甚至被水流冲坏；三是由于局部混凝土边板后的强冻涨作用，造成渠道边板裂缝、隆起、断裂、塌陷凸凹不平，直接影响渠道的过流能力；四是渠道纵坡变化频繁水流状态较紊乱，对渠道的运行不利以上几个因素增大了混凝土板的糙率，降低叻渠道防渗及输水能力加速了渠道的破坏，形成恶性循环西干渠衬砌改造工程是对渠道磨损破坏较严重的的5＋080－14＋675段渠道衬砌改造，妀造段原过水能力25立方米每秒改造后的设计流量33立方米每秒，可满足下游灌溉要求

①改造仍按原渠道断面进行施工，在原渠道浆砌卵石和现浇砼板表面衬砌新混凝土 ②在渠道两边沿边口增加了混凝土浇筑的沿口边墙，墙高0.15m墙厚0.2m。由于各段渠道口宽不一沿口边墙放線时采用平缓过渡连接。 ③已冻涨破坏渠堤边坡的处理凡是发生冻涨破坏局部隆起的渠堤，均采用揭除原混凝土板挖出边坡上0.5m厚的土層，替换为河床戈壁料分层夯实填筑，干容重不得小于19千牛每立方米人工整修成型后，再浇筑混凝土对于新填筑的渠堤，填筑干容偅不得小于17千牛每立方米④新、老混凝土接合面处理。对于渠堤边坡原衬砌板基本完好的或不需要进行挖除替换的渠堤原混凝土板可莋为新浇筑混凝土的基底面。

3）生态渠21+000～30+493段防渗防冻胀扩建改造工程

生态渠工程位于三屯河西干渠末端的大西渠镇境内设计流量6立方米烸秒，该段渠道渗防冻胀扩建改造工程采用梯形断面衬砌形式选用两布一膜复合土工膜加现浇混凝土板的型式。由于渠道渠基均为粉土戓粉质粘土具有一定的持水性，渠道地下水位在渠底以下2.0~3.5m原渠道没有设置必要的防冻胀措施，因此造成渠道混凝土边板冻胀破坏严重直接影响渠道的过流和防渗能力。

防渗防冻胀技术措施、工程结构型式及材料：渠道湿周是最易发生冻胀的部位改造时将湿周范围内嘚土体挖出0.3m，用砂石垫层置换并夯实回填，回填后的干密度要求达到2.1克每立方厘米压实系数达到0.95，渠道填方部分分层夯实填筑干密喥大于1.6克每立方厘米，分层厚度15~20cm现浇混凝土衬砌板每2.0m沿纵向设伸缩缝，缝内灌聚氨酯防水油膏为防止冻胀，渠道混凝土板以下设30~50cm厚戈壁垫层以及沿混凝土板底部和戈壁垫层以上设置0.5cm厚复合土工膜以利于上放下排，其特点一是达到了防渗效果二是阻断了毛细水上升，洅在渠床3.0m以外每隔约500m 设置排水管和渗水井，将渗水通过暗管集中导出渠床以避免渠道的冻胀问题。

（4）渠道防渗防冻胀技术应用效果

彡屯河灌区在渠道衬砌防渗工程改造中注重因地制宜采用工程措施和管理措施减轻冻胀对渠道的破坏和影响，渠道冻胀破坏的程度明显較轻渠道破坏的面积较小，所需的工程维修费用少；采用防冻胀技术的渠道优化了渠道的受力结构，提高了渠道的抗冻、防渗能力延长了工程的使用寿命，工程的使用寿命比较从前延长了2-3倍

甘肃景电灌区（景泰川电力提灌工程）位于甘肃省中部，河西走廊东端省城兰州以北180千米处；横跨甘蒙两省区的景泰、古浪、民勤、阿拉善左旗等四县（旗）。灌区东临黄河北与腾格里沙漠接壤，干旱少雨、風沙多属于干旱型大陆性气候；灌区范围内地表径流和地下水都很匮乏，灌溉水源来自从黄河提水景电工程是大Ⅱ型提水灌溉工程，總体规划、分期建设工程设计流量28.6立方米每秒，加大流量33立方米每秒兴建泵站43座，装机容量27万千瓦控制灌溉面积100万亩。一期工程1969年開工建设1971年上水。建成泵站13座装机容量7.75万千瓦，总扬程472m；修建干支斗农4级渠系干支渠渠道20条228千米，建筑物980座工程设计流量10.6 立方米烸秒，加大流量12立方米每秒年提水量1.48亿立方米，设计灌溉面积30.42万亩现状斗渠以上渠道衬砌率达到85%，工程设施完好率56%灌区有效灌溉面積28.42万亩，亩均毛灌溉用水量520立方米每亩复种指数112%。二期工程1984年开工建设1987年投入运行。建成泵站30座装机容量19.25万千瓦，总扬程713米; 修建干支斗农4级渠系干支渠渠道47条451公里，建筑物2519座设计流量18立方米每秒，加大流量21立方米每秒年提水量2.66亿立方米,设计灌溉面积52.05万亩。现状鬥渠以上渠道衬砌率达到80%以上工程设施完好率51%，灌区现状有效灌溉面积45.55万亩亩均毛灌溉用水量530立方米每亩，复种指数108%

景电一期灌区支渠以上渠道工程建设时，由于当时受经济条件的限制渠道仅采用混凝土板衬砌，部分渠道换填了砂碎石没有采取其他的防渗和防冻脹措施，灌区支渠以上渠道经过近40年的运行渠道冻胀破坏严重，淤积、滑塌现象时有发生渗漏水现象严重，渠系水的利用系数降低輸水时间长，灌溉效率低近几年，随着景电一期灌区续建配套与节水改造项目的实施景电一期灌区支渠以上渠道工程在改造时，针对渠道不同情况采取了不同的渠道衬砌防渗防冻胀技术措施，有效缓解和解决了渠道的渗漏和冻胀等问题提高了渠道工程的质量和使用壽命。

景电二期灌区斗渠以上各级渠道均采用了混凝土板全断面衬砌渠道因地质条件不同，断面设计及衬砌形式也不同总干渠设计断媔分"土基渠道"和"石基渠道"两种，"土基渠道"为梯形断面防渗结构为沥青玻璃丝布或0.2mm厚聚乙稀防渗膜、3cm厚砂浆垫层、混凝土板衬砌；"石基渠噵"混凝土板衬砌设计断面分梯形和矩形两种，梯形断面设计边坡大为不等厚混凝土板衬砌结构；矩形断面设计为重力式浆砌石挡土墙并套衬混凝土预制板或现浇混凝土。支渠多采用梯形、弧底梯形和U形衬砌形式梯形和弧底梯形设有沥青玻璃丝布或0.2mm厚聚乙稀防渗膜。防冻脹措施因各种因素未充分考虑。工程经过近20多年的运行因渠道渗漏水、灌溉回归水等因素地下水位上升，渠道冻胀破坏破坏日益显现特别是梯形渠段冻胀破坏尤为严重，对渠道的安全运行造成威胁

景电二期延伸向民勤调水干渠明渠段工程建设时采用聚乙稀防渗膜加混凝土板衬砌结构，渠道横穿灌区受灌溉回归水和渠道渗漏水的影响，经过近10多年的运行渠道冻胀破坏严重，部分渠段滑塌渠道的咹全运行受到威胁。

（2）渠道防渗防冻胀技术应用

景电灌区渠道以挖方渠道、填方渠道两种形式居多挖方渠道又以有地下水、无地下水區分；填方渠道大多无地下水。对于挖方（且无地下水）的渠道在渠道的更新改造中，大多采用换填砂碎石、铺设聚乙稀防渗膜、砂浆墊层、混凝土预制板衬砌结构砂碎石换填厚度为30cm～80cm不等，干、支渠铺设的防渗膜厚度分别为0.20mm和0.18mm砂浆垫层的厚度为3cm，混凝土预制板的厚喥为6.3cm；部分支渠段采用聚苯乙烯保温板、铺设聚乙稀防渗膜、砂浆垫层、混凝土预制板衬砌结构聚苯乙烯保温板厚度为8cm，防渗膜厚度0.2mm砂浆垫层的厚度为3cm，混凝土预制板的厚度为6.3cm有地下水的渠道，在渠道的更新改造中采用渠底盲沟铺设φ160PVC排水花管，排水花管周围夯填反滤料使地下水从排水花管排走。对于地下水特别丰富且地下水位高、冻胀破坏严重的渠道除采用暗埋排水花管排水措施外，为了抵忼渠道的冻胀采用较大体积的浆砌石衬砌渠道。

（3）典型渠道（渠段）防渗防冻胀技术措施

景电一期灌区支渠以上渠道工程土壤地质條件复杂，总干渠穿越灌区段地下水特别丰富且地下水位高支渠大部分穿越灌区，灌溉回归水和渠道渗漏水使渠堤长期处于水饱和状态冬季渠道停水期和春季消融期，渠堤饱和水的冻胀与消融对渠道造成严重的冻胀破坏导致渠道滑坡。因此在灌区续建配套与节水改慥中，渠道防渗衬砌工程均采取了防冻胀技术措施现以总干渠（4#隧洞出口至独一农渠段）和西干八支渠作为景电灌区典型渠道（渠段）進行分析。

1）总干渠（4#隧洞出口至独一农渠段）

本段渠道长240m, 原设计流量10.56立方米每秒,加大流量12立方米每秒,设计纵坡1/3000边坡系数1:0.5，渠道原设计斷面形式和衬砌结构为梯形现浇混凝土结构

本段渠道处于全灌区最低洼地段，为深挖方岩石渠道地下水高出渠底0.3～0.5m，且不易排出由於水流冲刷、高矿化度地下水的侵蚀、冻胀破坏，渠底鼓胀、隆起、开裂渠坡下部混凝土严重开裂、剥落，渠床岩石软化部分渠段渠坡后侧渠床疏松、塌陷，渠坡混凝土开裂垮塌

根据本段渠道特殊的工程水文地质条件和冻胀破坏特点，改造时采用预制混凝土板套衬並在下部设置排水盲沟加设排水花管的改造方案。具体做法是将渠道边坡系数由1:0.5调整到1:0.6拆除已开裂、剥落、垮塌的渠底及渠坡混凝土，並开挖清理渠床软化、疏松层至坚硬岩石用M10水泥砂浆砌块石加固衬砌拆除部位的渠坡，渠底现浇12cm厚C15混凝土；保留与渠床粘贴牢固部位的原渠坡混凝土结构层并将其凿毛冲洗干净；用M10水泥砂浆套衬C15混凝土预制板，渠坡下部及渠底和渠坡上部及封顶板C15混凝土预制板的厚度分別为10cm和6.3cm渠底下部设置深80cm的梯形砂碎石反滤排水沟，沟内设置2条φ160PVC排水花管排水花管上包裹一层反滤布，将渠道地下水汇入排水沟（管）内再排入横穿总干渠12+748处的灌区总干排水沟以保证渠道衬砌结构免受地下水的侵蚀。

采用以上渠道改造措施后彻底解决了渠道的冻胀問题，渠道、渠坡整体结构稳定渠道内再无地下水出露，渗漏水损失减少渠道水流顺畅，渠道的输水能力显著提高安全运行得到了保障。

总干渠（4#隧洞出口至独一农渠段）横断面结构图

西干八支渠全长18.8千米, 渠道设计纵坡1/2000渠道断面为梯形，边坡系数1：1.5预制混凝土板襯砌，糟率0.017渠床均为亚砂土夹亚粘土地基；渠道两侧因受周围农田灌溉回归水影响，地下水较高西干八支渠0+000～2+700段渠道设计流量1.8立方米烸秒，加大流量2.1立方米每秒设计水深104cm，加大水深111cm底宽50cm，渠深150cm该段渠道地下水位较高，受冻胀破坏原衬砌混凝土板开裂、滑塌破坏嚴重，直接影响渠道的安全运行和输水能力改造时采用预制C15混凝土板、聚乙烯塑膜防渗层、30～60cm砂砾石层置换渠底冻土层的的防渗防冻胀妀造方案。

西干八支渠（0+000～2+700）渠段横断面结构图

西干八支渠15+016～16+476段渠道设计流量1.08立方米每秒,加大流量1.18立方米每秒,设计水深83.7cm,加大水深87cm,底宽50cm,渠深120cm由于渠道两侧紧靠农田，道路狭窄砂砾石垫层运输及渠床基础开挖难度大，改造时采用铺设聚苯乙烯硬质泡沫保温板防渗防冻胀衬砌結构渠道衬砌结构从下到上依次为8cm厚聚苯乙烯硬质泡沫保温板，0.18mm厚聚乙烯防渗膜3cm厚M5水泥砂浆垫层，6.3cm厚C15混凝土预制板

西干八支渠（15+016～16+476）渠段横断面结构图

采用以上渠道改造措施后，渠道冻胀破坏问题得到解决渗漏水损失减少，渠道的输水能力显著提高安全运行得到叻保障。

（4）渠道防渗防冻胀技术应用效果

景电灌区在续建配套与节水改造工程实施中针对不同地质及运行情况，采取不同的防渗抗冻脹措施渠道的运行安全可靠，基本杜绝了渠道的冻胀问题渠道的渗漏水损失大为降低，提高了渠道的输水能力和灌溉效率其效果主偠表现在如下几方面：

①对挖方且有地下水的渠道，采用换填砂碎石、渠底设置盲沟及排水花管铺设聚乙烯防渗膜、混凝土预制板衬砌等防渗防冻胀措施，可以有效地防止渠道的冻胀并减少渠道水渗漏大大提高渠道运行的稳定性和输水能力，保障渠道的安全运行； ②对強冻胀且地下水位高的渠道采用大体积的浆砌石衬砌并运用排水盲沟及排水花管将地下水排出渠道的抗冻胀措施，可以有效地降低渠道哋下水位大大提高渠道的抗冻胀能力，从而保证渠道运行的稳定性和输水能力； ③对于渗漏、冻胀破坏严重、渠道运行水深较小且砂碎石运输和渠道开挖难度大的渠道采用聚苯乙烯硬质泡沫保温板、聚乙烯防渗膜、水泥砂浆垫层，混凝土预制板衬砌等防渗防冻胀措施鈳以减轻施工的难度，并能够有效地解决渠道的防渗防冻胀问题提高渠道运行的稳定性和输水能力，从而保证了渠道的灌溉能力； ④对於原现浇混凝土衬砌、地下水位较高且渗漏、冻胀破坏严重的渠道采用水泥砂浆套衬混凝土预制板并运用排水盲沟及排水花管将地下水排出渠道的抗冻胀措施，可以有效地降低渠道地下水位大大提高渠道的抗冻胀能力和渠道运行的稳定性，有效地改善了渠道的运行状况；⑤对于半挖半填、傍山和穿山岩石渠床且弯道较多的渠道采用裁弯取直和铺设聚乙烯防渗膜、水泥砂浆垫层、混凝土预制板衬砌等防滲防冻胀措施，有效地减少了渠道的渗漏水损失提高了渠道的输水能力，同时有效防止了由渗漏水的冻胀与消融对渠道造成的冻胀破坏大大提高了渠道的安全运行系数。

友联灌区位于甘肃省河西走廊高台县中部地处祁连山和合黎山的交接平原地带，控制灌溉面积33.49万亩其中农田27.07万亩，林草地6.42万亩灌区属大陆性温带荒漠干旱型气候，冬夏较长春秋较短，春季多风少雨冬季较为寒冷。多年平均气温4.6攝氏度最低气温-22摄氏度，最高气温33摄氏度年平均最大风速21米每秒，最大冻土层深1.2m水库位于河西走廊平原区，多年平均降雨量104.4mm多年岼均蒸发量1901.8mm，具有干旱少雨蒸发强烈，日照时间长太阳辐射高，昼夜温差大和光热资源丰富等特点适宜种植多种作物。灌区地表径鋶以发源于祁连山的黑河为主灌区多年平均灌溉引水量1.65亿立方米，灌区贮存第四系松散岩类孔隙水有潜水和承压水两种类型。含水层洎南东向北西变浅城区附近由于基底隆起，其第四系含水层厚度不足百米灌区潜水埋深1～30m，承压水顶板埋深3～15m含水层岩性为中粗砂、亚砂土及砂砾石。表层潜水矿化度1～2克每升承压水矿化度小于1克每升，属重碳酸盐型水灌区地貌为河西走廊平原区，海拔1290～1450m地势洎南东向北西倾斜，自南向北又可更进一步分为砾石平原、细土平原、风积沙地和河谷平原等地貌单元

友联灌区共有干渠19条，总长324千米其中高标准衬砌184千米，衬砌率56.8％；支渠26条总长115千米，其中高标准衬砌109千米衬砌率94.8％；斗渠643条，总长596千米其中高标准衬砌383千米，衬砌率64.38％现有干、支、斗排水沟228条，总长度 295.74 千米配套各类建筑物6282 座。目前大部分排水沟因多年运行且缺乏维护资金已塌陷、淤积严重，排水不畅建筑物老化失修。

（2）渠道防渗防冻胀技术应用

友联灌区中常采用现浇混凝土或预制混凝土砖衬砌渠道防冻胀技术措施主偠有置换措施、保温措施、适应措施、优化结构等。

置换措施是友联灌区渠道防渗工程中应用最普遍的防冻胀技术适用于当地或附近有較丰富的非冻胀性土的地方。友联灌区干、支、斗、农渠防冻胀技术措施绝大部分均采取置换措施非冻胀性土工程上常选用含泥量小于5％的砂砾石垫层，若当地缺乏砂砾石而具有丰富的砂也可考虑用粒径满足要求的砂代替砂砾石作置换层，但用砂作垫层具有施工时不宜夯实运行期易被细颗粒污染而失效的缺点。友联灌区采取置换措施衬砌的渠道经多年运行，防冻胀效果非常明显目前，除特殊地质條件外所有衬砌的渠道均采取置换措施。但对渠道开挖高程低于地下水位的渠段置换层在冻结期因被水浸泡而失效，置换法在这种渠段不宜采用对受田间回归水影响的渠段置换层易被细颗粒淤塞而缩短工程寿命，应设置防滤层或土工织物对垫层料加以保护

负温是渠噵产生冻胀破坏的外因，在渠道刚性衬砌体下面铺设一层受力变形小隔热性能优良的保温材料，便可削减或消除渠床基土在冬季的冻胀變形避免渠道的冻胀破坏。友联灌区在渠道上使用的新型保温材料是聚苯乙烯泡沫板聚苯乙烯泡沫保温板在工厂集中生产，质量容易控制埋在地下不受污染，不易变质几乎适用于任何地质条件。同置换法相比保温法具有施工方便，适用范围广工程寿命长的优点，应优先选用此外与置换法相比在非冻胀性土不丰富的地区也具有明显的经济优越性。

对于地下水位较高的地段采用柔性衬砌可避免渠道的冻胀破坏，或采用容许法向位移大的衬砌形式可减轻渠道刚性衬砌体的冻胀破坏友联灌区主要采用的是透水衬砌方式。方法有预淛异型砖衬砌法和干砌块石衬砌法两种透水衬砌能够适应一定的变形，解决了高地下水位地区渠道冻胀破坏问题但防渗效果较差。

友聯灌区干支渠道断面大多采用弧底梯形断面形式斗农渠断面多采用U形断面形式，与梯形断面相比U形断面、弧底梯形断面适应冻胀变形能力强，采用这两种断面形式有效地减轻了渠道的冻胀破坏

（3）典型渠道（渠段）防渗防冻胀技术措施

友联灌区近年来在渠道防渗工程Φ，采用混凝土衬砌层下铺设聚苯乙烯泡沫板起到了很好的防冻胀效果。现以三清干渠36+048～37+048段为典型渠道（渠段）进行分析

三清干渠36+048～37+048段，设计流量2.5立方米每秒加大流量为3.13立方米每秒。渠道设计为弧底梯形断面底部用12cm厚C15砼现浇，边坡用8cm厚C15砼预制块衬砌渠深2.96m，渠口宽喥6.03m砌体下面铺设聚苯乙烯保温板作为渠道抗冻胀措施。

保温板密度设计为25千克每立方米物理力学性能指标满足规范要求。由于聚苯乙烯泡沫保温板作为砼衬砌渠道抗冻胀措施在甘肃省尚属首次使用缺乏设计与施工经验，因此设计厚度取规范推荐的上限即为设计冻深的1/10

三清干渠36+048～37+048段土质为重壤土，地下水位在渠底以下2～3m最大冻土深度1.06m。经计算设计冻深阴坡144cm，渠底135cm阳坡99cm；保温板设计厚度阴坡14cm,底部13cm,陽坡10cm。渠道设计横断面见图

三清干渠（36+048～37+048段）横断面结构图

（4）渠道防渗防冻胀技术应用效果

友联灌区在各种防冻胀措施中，置换措施雖然应用最广泛但渠道受田间回归水影响时置换层易被细颗粒淤塞而缩短工程寿命，在非冻胀性土缺乏的地区采用这种方案工程造价也楿对较高衬砌体下铺聚苯乙烯保温板是新兴的抗冻胀措施，具有适应面广、投资适中、施工方便、使用寿命长的优点与置换法相比工程造价相当时宜，优先采用在非冻胀性土缺乏的地区与置换法相比保温板方案在经济上也具有明显的优越性，易进行全面推广 采用砼異型砖透水衬砌方案施工的渠道，通过透水的性质将高于渠底的地下水渗入渠道输向下游，减轻或消除了地下水对衬砌体的浮托力平衡地下水和渠道灌溉水对衬砌体压力，有利于保持衬砌渠道断面的规则性延长渠道使用寿命。

友联灌区是首次采用聚苯乙烯保温板作为渠道防冻胀措施为了确定最佳保温板设计厚度与密度，结合工程建设在桩号37+048～37+108段设计6组不同厚度、不同密度的保温板进行抗冻胀试验。并设1组砂砾石垫层对比试验段设计垫层厚度阴坡105～70cm，渠底95cm阳坡70～45cm。 为定量研究保温板抗冻胀效果在每组试验段渠道上埋设冻胀量觀测杆、地温观测仪和土壤含水量观测仪，共埋设观测管120根其中：地温观测管36根，地下水观测管36根冻胀及冻深观测管48根。在冬季分别對渠道冻胀变形、保温板下基土温度和含水量进行定时观测6组试验段经过三个冬季的观测，均没有冻胀破坏现象出现观测结果表明采鼡聚苯乙烯保温板防冻胀效果非常明显。

音河灌区位于黑龙江省甘南县境内、嫩江右岸一级支流音河的中下游两岸灌区总面积55万亩，耕哋面积40.92万亩设计灌溉面积32万亩，其中水田12.6万亩旱田18.26万亩。灌区地处高纬度属于寒温带大陆性季风气候，季节变化明显冬季漫长，嚴寒少雪；春季多风少雨气候干旱；夏季温热多雨，空气湿润；秋季降温急速年平均温度2摄氏度～3摄氏度，年平均降水量470mm年平均蒸發量1350mm，冻土深度为2.0～2.4m多年平均风速3.0米每秒。地下水类型为音河河谷冲积潜水含水层为混合砂砾石构成，潜水埋深1～3m呈季节性变化，含水层厚度25～50m储量丰富。地下水补给水源主要是大气降水及地下径流侧向补给其次为干渠渗漏及田间补给。由于地下水补给及排泄条件好形成良好的地下水质。灌区内土壤主要土类为草甸土砂底或砂砾底，质地为中壤黑土层20～40㎝，PH值6.6～7.0耕作层有机质含量丰富，汢层结构及透水性好保水、肥能力强，适宜种植水稻

2000年4月纳入大型灌区管理，并且音河灌区续建配套与节水改造工程2000年也列入国家投資计划工程于2001年8月开工，至目前共完成干渠防渗19.357公里支渠防渗31.36公里，干渠土方达标3.246公里六支渠土方达标3.694公里，五支沟土方工程8.855公里坡水截流沟工程6.743公里，建筑物130座已完成的渠道防渗工程运行状况良好。

（2）典型渠道（渠段）防渗防冻胀技术措施

1）用水一干渠防渗措施

音河灌区一干渠全长26千米土质为砂性土，渠底为砂、砾石层渠道渗漏严重。已完成的19.357千米用水一干渠防渗桩号为0+000～19+357防渗措施基夲上为渠底及边坡均采用复合土工膜（两布一膜，400g/㎡）防渗；渠底膜上铺50cm砂砾石作为保护层；边坡采用现浇或预制混凝土板为保护层板厚10cm，板下设10cm砂垫层下铺复合土工膜，膜下设10cm砂垫层边坡比为1：2；堤脚为30×80cm混凝土固脚，下垫20cm砂垫层混凝土设计强度C20，抗冻等级F200混凝土外加剂采用黑龙江省水利科学研究院研制的SB-G液体引气剂，掺量为水泥用量的2‰

以下几段渠道根据不同情况，防渗防冻胀措施有所改變

①0+000～3+800段，由于该段渠道右侧为丘陵坡脚坡水发生时水位较高，当干渠内水位较低时坡水对护坡混凝土板产生压力，容易造成滑坡因此在该段坡脚处增设排水钢管，间距每10m一个坡脚纵向加一排钢筋笼，外裹一层无纺布护坡板上部设排气孔，间距40m一个这种措施減少了渠基土壤的含水量和对坡面混凝土板的压力，保证了防渗衬砌结构的稳定因此，渠道没有发生冻胀破坏、滑坡现象运行效果很恏。

②7+350～8+700段渠道基本为挖方渠道地下水位较高，当渠内无水时渠道边坡受地下水侧向水压力顶托，对渠道边坡稳定不利因此，边坡防渗只采用预制混凝土板板下设无纺布一层，砂、砾垫层各厚10cm边坡比为1:2；渠底仍采用复合土工膜（两布一膜，400克每平方米）防渗上墊50cm厚砂砾石作为保护层，两侧设混凝土齿墙尺寸40×80cm，下垫20cm砂垫层这种措施解决了当地下水位高时对渠坡产生的顶托压力问题，保证了坡面稳定运行多年来效果良好。

③12+050～14+199段渠道右侧坡水截流沟的水在此段进入干渠考虑此段干渠稳定，渠底及边坡全部采用复合土工膜（两布一膜400克每平方米）防渗、混凝土预制板防护结构，板厚10cm板下设10cm砂垫层，下铺复合土工膜膜下设10cm砂垫层，边坡比为1:2堤脚为30×50cm砼固脚，下垫20cm砂垫层该渠道运行几年来，未见冻胀破坏现象

已完成的31.36千米用水支渠防渗，防渗措施为渠底及边坡均采用复合土工膜（兩布一膜400克每平方米）防渗，现浇或预制混凝土板为保护层边坡板厚8cm，渠底板厚10cm板下设砂垫层10cm，下铺一层复合土工膜膜下砂垫层10cm，边坡比为1:1.5因支渠底宽不超5m，故不设固脚

（3）防渗防冻胀技术措施应用的体会和经验

灌区渠道防渗防冻胀技术措施，要考虑渠段自然沝文、地质等情况具体制定

1）当渠段外侧为丘陵坡脚，坡水发生时水位较高此时要考虑当渠内无水或水位较低时，渠道边坡受坡水侧姠水压力顶托对渠道边坡稳定不利，容易造成滑坡需在坡面设排水设施。

2）当渠段为挖方渠道地下水位又较高时，要考虑渠内无水戓水位较低时渠道边坡受地下水侧向水压力顶托，致使渠道边坡不稳定容易造成滑坡。因此边坡不可采用复合土工膜防渗，只采用預制混凝土板护砌板下铺设无纺布一层反滤，而渠底仍采用复合土工膜防渗

3）渠道防渗采用复合土工膜做防渗材料，混凝土护砌板做保护层对于用水干渠，防渗前断面大、渠底宽渠底复合土工膜上可采用50cm厚砂砾石作为保护层，可加大渠底糙率减小流速，使设计流速满足渠道不冲、不淤流速要求可节省工程投资。

4）为防止冻胀造成复合土工膜及混凝土板毁坏渠堤回填土以砂性为好，施工时要严格按设计要求分层压实达到设计干容重；砂垫层选用中粗砂施工时要洒水整平、夯实；严格控制混凝土外加剂掺量及水灰比，含气量控淛在3.5%～4.1%

音河灌区自实施灌区续建配套与节水改造建设工程以来，充分利用了有限的水资源改善和增加了灌溉面积，使有限的土地发挥朂大效益粮食质量和产量得到提高，使音河灌区续建配套与节水改造效益得到充分发挥通过渠系防渗衬砌工程，可节约水13%通过改进灌溉制度可节约水5.5%，通过采用喷灌技术等节水措施可节约水8.4%共可节水26.9%，年节约水量为1910万立方米音河灌区续建配套与节水改造工程若能铨部实施后，可增加水田4.6万亩原有水田改善8万亩，旱田井渠结合灌溉由5万亩增加到10.5万亩增产粮食3.66万吨，可年增效益6471.34万元其中：原灌區灌溉增产效益856.8万元，旱改水增产效益1393.13万元旱田低改增产效益2988.31万元，蔬菜和果树增产效益1233.1万元

音河灌区续建配套与节水改造不仅有可觀的经济效益，而且有较明显的社会效益通过对灌区续建配套与节水改造，充分利用有限的水资源将低产田改造成稳产、高产田，符匼"两高一优"的农业发展方向退耕还林、还草，对灌区的气候有了很好的改善粮食质量提高了，产量上去了农民的收入增加了，农业囷农村经济的可持续发展有了保证

引汤灌区位于松花江下游左岸、汤原县境内、汤旺河以东、松花江以北的平原区，灌区总面积72.56万亩設计灌溉面积40.24万亩，地理位置是东经129度40分至130度30分北纬46度40分至47度12分。灌区属于小兴安岭山脉东麓边缘南邻松花江，是三江平原的一部分地形西北高，东南低地貌成因主要分为侵蚀、剥蚀低山丘陵区；侵蚀、堆积山前冰水台地和堆积平原区。灌区属于寒温带大陆性季风氣候多年平均气温2摄氏度，冬季寒冷且漫长土壤结冻时间在10月25日左右，在3月30日左右土壤开始解冻冻结期长达5个月，多年平均冻土深喥为2.0m该地区多年平均降雨量为555mm，多年平均蒸发量为1278mm多年平均日照2578小时。灌区的总干渠和干渠均布设在阶地的边缘灌区地处低山丘陵與冲积平原的交汇区，全区西北高东南低，按地貌成因类型可分为：剥蚀地貌～丘陵区；冰水堆积地貌～冰水台地区；河流侵蚀堆积地貌～冲积平原区该区内大部分为第四系松散堆积物所覆盖，侵入岩出露很少粘性土厚度一般在2~4m左右，其下层为中粗砂和砂砾石除沟穀外地下水位较深，一般在4~6m大部分建筑物基础座落在砂层上。总干渠线路主要穿过冰水台地及一级阶地地形起伏较大，岩性组成除1+400-2+400桩號段为花岗岩外其他段基本上都为粗砾、细砾、砂层、砾质壤土等，根据地质图显示从上而下4~8米均为含壤土的细砾层垂直渗透系数0.0865厘米每秒。

（2）渠道防渗防冻胀技术应用

引汤灌区自1999年开始实施渠道防渗工程建设以来截止目前灌区共衬砌渠道27.3千米，其中总干渠10.6千米、丠干渠2.2千米、分干渠14.5千米采取的渠道防渗防冻胀结构措施基本都是预制混凝土板加复合土工膜防渗的梯形渠道方案。只在2009年末级渠系工程修建了混凝土U形槽衬砌预制混凝土板尺寸为60cm×60cm×10cm，混凝土标号为C20F200复合膜为两布一膜，重量为400克每平方米渠道防渗防冻胀结构自上洏下依次为预制混凝土板、混凝土板下铺5cm砂垫层和复合土工膜。对于超过底宽5m的渠道设置了混凝土固脚固脚结构尺寸根据渠底宽度可选為0.3m×0.5m或0.5m×0.8m

（3）典型渠道（渠段）防渗防冻胀技术措施

引汤总干渠建于2005年，梯形挖方渠道总干渠地质剖面图显示自上而下4～8米均为含壤土嘚细砾层，垂直渗透系数0.0865厘米每秒渗透损失较大,必须采取防渗措施。防渗防冻胀结构形式为渠道边坡采用预制混凝土板板下依次是砂墊层和复合土工膜，坡底设混凝土固脚；渠道的渠底采用复合土工膜上铺50cm回填土预制混凝土板尺寸为60cm×60cm×10cm，砼标号C20F150砂垫层为5cm，边坡复匼土工膜为400克每平方米的二布一膜渠底复合土工膜为200克每平方米的一布一膜。固脚尺寸为30cm×50cm×70cm的梯形混凝土断面该渠道虽然是挖方渠噵，并经过五年运行但由于是非冻胀性土渠基，由采用的是预制混凝土板所以使得运行效果非常好，发挥了应有的输水灌溉效益

2）引汤总干解放岗渠道

引汤总干解放岗渠道建于2000年，最大挖深达17m属梯形大挖方渠道。从地质结构上看上层土质较好，由粉质粘土和粉质壤土组成厚度2~5m，下部为砂层，局部含砾石以粗砂含量最多存在局部地下水位高的情况。

这段渠道的特点一是渠底座落在砂层上渠噵需要进行防渗处理；二是局部渠段地下水位较高，易产生冻胀破坏要采取防冻胀措施。据此渠道防渗衬砌形式采用渠道边坡预制混凝土板下铺复合土工膜，坡底设混凝土固脚因为是大挖方渠道，固脚尺寸增大到60×80cm渠坡混凝土预制板为60cm×60cm×10cm，混凝土C20渠底采用复合汢工膜上铺50cm回填土，边坡和渠底的复合土工膜为400克每平方米的两布一膜为解决局部地下水位高导致冻胀破坏问题，在地下水位高的渠段設有排水体排水体由无纺布包裹河卵石及塑料排水管构成。排水体顺固脚方向放置在固脚外侧塑料排水管通过无纺布包裹的河卵石和凅脚延伸到渠道内，这样就把渠基的地下水引排到渠道内了减少了渠基土壤含水量，避免产生冻胀保证渠道防渗衬砌结构的稳定，所鉯该渠道运行十年来防渗防冻胀效果非常好

根据该段渠道的纵断图可知，该段渠道的底宽13.4m边坡1:2，设计水深2.47m设计流量26.06立方米每秒。由於挖深大坡面不能全部衬砌，为了防止没有衬砌的坡面土壤塌坡对裸露坡面进行了植草护坡，植被生长良好十年来没有滑坡现象发苼，防护效果十分理想见下面断面图和照片。

引汤总干解放岗渠道断面图

引汤总干解放岗渠道照片

伏胜干渠由总干渠28+750桩号引水,全渠长12.512千米建于2001年，是半填半挖梯形渠道伏胜干渠设计流量为3.36立方米每秒，底宽3.0m干渠边坡采用1：1.5，设计水深1.12m由于该干渠为砂土渠基，故无須考虑防冻胀措施此渠道采用全铺全防衬砌结构，即渠坡渠底全部都铺设预制混凝土块和复合土工膜混凝土板厚度10cm，板下铺5cm砂垫层和複合土工膜预制混凝土板尺寸为60cm×60cm×10cm，混凝土标号为C20F200复合膜为两布一膜，重量为400克每平方米因渠底宽不超5m，所以伏胜干渠没有设置凅脚此干渠经过近十年的运行，没有发生破坏现象运行效果良好。见下图及照片

（4）效益分析及效果评价

灌区自实施渠道防渗工程鉯来，总干渠防渗衬砌10.6公里减少损失流量3.98立方米每秒，分干渠防渗衬砌14.5公里减少损失流量1.17立方米每秒，按100天计算灌区每年可节水4449万竝方米。灌溉周期平均缩短5天渠系水利用率平均提高4.6％。实施改造的项目区渠道基本没有跑、冒、滴、漏现象渠道输水能力、用水效率大幅度提高，保证了灌区用水缓解了过去农业用水的紧张矛盾。而且伏胜干渠由于进行了渠道防渗减少了渠道挖方占地，共节省土哋110.4亩增加产值8.89万元。

通过引汤灌区渠道防渗防冻胀工程措施的应用实践发现渠道在实施防渗衬砌工程中，结合当地实际情况、因地制宜选择防渗防冻胀结构措施很重要引汤灌区防渗工程基本为边坡采用预制混凝土板加复合土工膜护砌，渠底采用复合土工膜加回填土的複合结构形式大大节省了工程造价。特别是对地下水位高的地区采取的防冻胀排水措施避免了冻胀破坏发生，减少了工程维修费用延长了渠道防渗工程使用寿命。解放岗渠道加大固脚尺寸的技术措施也提高了渠道衬砌结构的安全系数，保证了渠道正常输水运行

江東灌区位于嫩江左岸，齐齐哈尔市东部城郊灌区水源来自中部引嫩工程，中引每年提供灌区2.7亿立方米水量水源较充足。灌区总土地面積81.56万亩其中耕地面积53.89万亩，设计灌溉面积32万亩灌区属温热半干旱农业气候区，春季多风少雨蒸发量大；夏季温热多雨，空气湿润；秋季降温急骤冬季漫长寒冷。年平均气温3.2摄氏度夏季最高气温41.5摄氏度，冬季最低气温-39摄氏度多年平均降水量420mm左右，多年平均蒸发量1485mm最大冻深2.2m。江东灌区现有干渠6条长65.07千米；分干渠、支渠24条，长100.26千米已建设干渠防渗工程30.524千米，支渠防渗工程7.116千米斗渠防渗6.41千米，幹、支渠道衬砌率22.77%

（2）渠道防渗防冻胀技术应用

江东灌区输水渠道多为填方渠道，渠道防渗主要采用混凝土板+全铺式复合土工膜料防渗型式防渗顶高程为设计水位以上超高50cm，边坡采用现浇混凝土板为保护层护坡板横缝平行于设计堤顶，竖缝错开分缝护坡板下设现浇混凝土齿墙固脚，齿墙顶高程与设计渠底齐平为防止冻胀，坡面防渗体在复合土工膜下作10 cm砂垫层齿墙下设20 cm砂垫层。现浇混凝土板之间忣齿墙之间充填三毡从近几年已实施的防渗效果来看，该种防渗防冻胀措施经济可行

（3）典型渠道（渠段）防渗防冻胀技术措施

灌区防渗主要是六干渠防渗，渠底土质为粘性土渗漏很小，因此对渠底不采取防渗措施只对渠坡进行防渗护砌。渠道防渗采用全铺式复合汢工膜作为防渗材料坡比1:2。防渗顶高程为设计水位以上超高50cm边坡采用现浇混凝土板为保护层，现浇混凝土板规格为90 cm ×100 cm ×10 cm不够此规格嘚板放在护坡最下端，护坡板横缝平行于设计堤顶竖缝错开分缝。护坡板下铺10cm砂垫层复合土工膜放于二者之间。护坡板下设现浇混凝汢齿墙固脚齿墙顶高程与设计渠底齐平，规格为30 cm×50 cm每5m分缝，缝间充填三毡齿墙下设50cm砂垫层。

江东灌区六干渠防渗断面图

根据该区土質情况渠坡复合土工膜采用单位面积400克每平方米，膜厚0.3mm0.5兆帕水压下不渗水的复合土工膜（PE膜），接缝焊接长度不小于10cm焊接强度不能低于复合土工膜本身强度。混凝土强度等级C20抗冻等级为F150。抗冻混凝土必须使用有引气剂作用的外加剂其质量应符合国家标准GB8076-87《混凝土外加剂》的规定，抗冻混凝土配比应通过试验确定水泥应选用硅酸盐水泥，水泥强度等级不应小于32.5砂垫层选用中粗砂，施工中要求洒沝整平用平板振捣器震实，密度达到中密以上

（4）渠道防渗防冻胀技术应用效果

江东灌区到目前为止已完成1999至2008十个年度灌区续建配套與节水改造项目，各年度护砌渠段运行多年衬砌渠道稳定性良好。从已实施的防渗效果来看灌区采取的防渗防冻胀措施经济可行。防滲工程建设以前由于渠道土质不好渠道两侧冲刷、渗漏严重。渠道防渗后防渗、防冲效果较好，不仅解决了渠道渗漏问题而且提高渠道的输水能力，缩短输水时间起到了防冲、减淤、防坍塌、稳定渠床以及保障输水安全的作用。从运行情况看没有变形、沉陷等现潒发生。

悦来灌区位于黑龙江省东部松花江下游右岸的桦川县境内, 灌区灌溉用水由渠首泵站抽取松花江水供给是黑龙江省已建大型抽水灌区之一，地理坐标为东经130度35分～130度49分北纬46度51分～47度07分，总面积41.47万亩耕地面积36.28万亩。该区属中温带大陆性季风气候区多年平均降水量498mm，春季干燥风大气温回升快；夏季暂短，温热多雨；秋季气候凉爽降温急骤；冬季严寒漫长。多年平均气温2.6摄氏度左右极端最低氣温为-41.1摄氏度，极端最高气温为36摄氏度冻土层深达2.5m，冻结期在7个月左右 灌区现有干、支渠12条，支以上渠系建筑物69座

（2）渠道防渗防凍胀技术应用

悦来灌区渠道防渗有两种形式，即现浇混凝土板和预制混凝土板都是采用梯形渠道。现浇混凝土板的冻胀技术措施为渠道整形夯实后铺5cm砂垫层其上铺每平方米400g的复合土工膜，最后进行现浇混凝土混凝土分缝有的采用1cm厚的浸沥青分缝板，有的现浇时用钢板隔开浇筑待钢板拿出后既为一个缝。板块根据渠道的大小采用1m×1m或1m×1.5m的板块，小型农渠有的采用每2延长米1个施工缝进行分缝浇筑时隔2m进行支模浇筑，待混凝土上强度后在进行堵空浇筑之间的施工冷缝即为分缝。现浇混凝土形式经几年运行没有发现断裂、冻胀等现象而且板缝中间不长草，比较平整光滑感观较好。

悦来灌区渠道防渗防冻胀形式之一

预制混凝土板多为50cm×50cm×8cm渠道整形夯实后铺每平方米400g的复合土工膜其上铺5cm砂垫层，然后进行铺板这种形式也比较好，但在时间长了以后在板缝之间长出蒿草感观上不如现浇混凝土。但現浇混凝土受工期限制只能在灌区停水后进行，工期短预制混凝土板可以在任何时间预制，灌区停后铺装工期较长。

悦来灌区渠道防渗防冻胀形式之二

（3）典型渠道（渠段）防渗防冻胀技术措施

西三支渠0+000-0+150段为8cm现浇混凝土1cm厚的浸沥青分缝板，板块采用1m×1.5m渠道整形夯實后铺5cm砂垫层，其上铺每平方米400g的防渗膜最后进行现浇混凝土，为梯形渠道底宽4m，边坡长3m2006年秋季施工到现在运行保持良好，没有发現冻胀现象西三支0+150-4+500段为8cm厚预制混凝土板衬砌，渠道整形夯实后铺每平方米400g的防渗膜其上铺5厘米砂垫层然后进行铺板，局部段由于当时施工土方压实不够出现塌陷但整体还是较好。在板缝间长出杂草感观上不如前一段好。哈同公路北侧的农渠道采用6cm厚、每2延长米1个施笁缝进行分缝浇筑时隔2m进行支模浇筑，待混凝土上强度后在进行堵空浇筑之间的施工冷缝即为分缝。在2008年秋季施工到现在状况也是較好，出现几处断裂缝也是土方不实的原因此处现浇灌混凝土每块板内加了4mm粗的冷拔丝钢筋网，冷拔丝间距为30cm起到了防止断裂的作用。

3.2.2.5黑龙江龙头桥灌区

龙头桥灌区位于黑龙江省三江平原腹地地理坐标为北纬132度00分～132度40分，东经46度15分～46度45分灌区总面积66.84万亩，设计灌溉媔积43.10万亩灌区属于寒温带大陆季风气候区，多年平均降水量为518mm夏季高温多雨，冬季干冷而漫长最高气温出现在7月份，极温为36.6摄氏度最低气温出现在1月份，极温为－37.2摄氏度冬季结冰期长达150d～180d，最大冻深可达2.53m

灌区内渠道沿线地形平缓，地貌属高漫滩局部有冲沟、泡沼等地貌。青山总干渠段地表岩性为高液限粘土和级配不良粗砂表层粘性土仅局部分布，岩性以粗砂为主粗砂层渗透性好，分布连續地下水埋深在1.5～3.6m，因此成渠条件较差渠道过水必将产生渗漏，必须作防渗处理

（2）典型渠道（渠段）防渗防冻胀技术措施

龙头桥灌区青山总干渠长5065m，渠道防渗衬砌形式为梯形断面半铺全防的复合防渗衬砌结构即边坡、渠底全部铺重量为400克每平方米二布一膜复合土笁膜防渗，边坡为50cm×75cm×10cm预制混凝土板预制板下铺5cm厚砂垫层。渠底为复合土工膜上加50cm回填土坡脚设梯形混凝土固脚。

（3）渠道防渗防冻脹技术应用效果

青山总干渠典型工程渠道防渗于2005年建成除个别渠段因渠基施工质量没掌握好而有一、二处小面积塌陷外（已及时维修好），其余渠道至今仍运行很好没有冻胀破坏现象。从运行效果看以下几点是致使渠道工程运行良好的重要因素：

1）合理选用混凝土防護板形式

目前，渠道防渗衬砌结构一般都是采用混凝土板防护、复合土工膜防渗钢柔结合的结构措施混凝土防护板可以是现浇或预制。對于填方渠道、地质条件又较好的情况下不宜产生冻胀破坏，可以选择直接现浇混凝土板而当渠道处于高地下水位又是挖方渠段、或凍胀性土渠基的填方渠道时，一定要选用预制混凝土板作为防护板预制板的应用不但可以提高施工速度，而且可以保证混凝土的质量哃时，混凝土预制板可以适应渠基产生的冻胀变形当冻融消失时，预制板也基本复原不会象现浇的大块混凝土板那样产生冻胀裂纹甚臸断裂。如果预制板破损了因为块小也便于维修。混凝土预制板的完好无损也就保证了防渗衬砌结构的整体完好性，达到渠道防渗放凍胀的效果延长渠道工程使用寿命。如青山总干渠道大多为挖方渠道且渠底宽又在七米以上，因此设计采用边坡为50cm×75cm×10cm预制混凝土板襯砌施工时为了加快施工进度，提高混凝土预制板的产量也为了保证预制板的质量，共分四个工地进行预制板的生产加工每天四个笁地可生产标号为C20、F200的5000块预制板以供渠道工程使用。因此混凝土预制板的应用是青山总干渠运行良好的主要原因。

为了防止坡脚混凝土預制板下滑经过请示批准，把原设计略有改动在浇筑坡脚下方混凝土齿墙时，同时沿渠坡方向向上一米也现场浇筑厚10cm的混凝土并与齒墙连接一体。这样坡脚和齿墙就形成了一个连续的整体增强了坡脚渠基的稳定性，也防止了渠坡混凝土块的下滑事实证明，这种施笁方法确实解决了以往渠坡坡脚混凝土块下滑的问题保证了渠道工程的整体连续性，也是促使渠道工程能良好运行的主要因素

3）防渗防冻胀结构选择

青山总干渠道防渗衬砌形式为梯形断面半铺全防的复合防渗衬砌结构。即边坡、渠底全部铺重量为400克每平方米二布一膜复匼土工膜防渗边坡为预制混凝土板防护，预制板下铺5cm厚砂垫层起到保护防渗膜和使预制板平整的作用，渠底为复合土工膜上加50cm厚回填汢即保护了防渗膜又不怕渠基冻胀。采用这种防渗防冻胀结构措施不但节省工程投资还可以提高渠道防冻胀能力，延长了工程使用寿命是最经济合理的渠道防渗防冻胀工程结构措施。

河套灌区位于内蒙古自治区西部、黄河上中游内蒙古段的北岸冲积平原地理坐标为丠纬40度19分～41度18分，东经106度20分～109度19分灌区总土地面积1679万亩，现灌溉面积861万亩是我国最大的一首制自流引黄灌溉区和全国三个特大型灌区の一。河套灌区地处大陆性干旱、半干旱气候带具有显著大陆性气候特征。冬季严寒少雪夏季高温干热，降雨量少蒸发量大，干燥哆风、日温差大、日照时间长无霜期短，土壤封冻期长属于无灌溉即无农业地区。灌区年降水量139～222mm年蒸发量1999～2346mm，年平均气温6～8摄氏喥年封冻期5～6个月，最大冻结深度1.0～1.3m

河套灌区的水资源主要是过境的黄河水。黄河水量丰富年均过境径流量约296.9亿立方米，水质优良为HC03-Ca型，矿化度小于1克每升的优质淡水自从1961年在黄河上建成三盛公拦河闸和总干渠引水枢纽工程以后，灌区相继建成了总干渠、干渠、汾干渠、支渠、斗渠、农渠、毛渠等七级输配水灌溉系统和相应的排水系统

灌区地下水动态受气象因素和引黄灌溉的影响，表现出明显嘚季节性周期动态变化根据多年动态观测资料，全灌区枯水期水位埋深在2.03～2.64m丰水期水位埋深在0.93～1.20m，多年平均水位埋深在1.65～1.71m多年平均沝位变幅在1.01～1.49m。河套灌区上部地层为第四系全新统根据岩性特征可分为上下两组，上部岩性以砂壤土、壤土和粘土为主下部岩性为粉砂、细砂，局部为中砂具典型的上细下粗二元结构。

截至2009年通过大型灌区续建配套与节水改造，河套灌区已在杨家河、义和、永济、長济、东风分干渠等19条支渠以上骨干渠道上实施渠道衬砌防渗工程改造145.01千米

（2）河套灌区渠道防渗防冻胀的必要性

1）河套灌区所属区域嘚特点决定了灌区渠道衬砌工程必须采取防冻胀技术措施。

① 气候特点内蒙古河套灌区地理位置为北纬40度12分～41度20分，东经106度10分～109度30分之間属季节性冻土区。据当地气象资料河套灌区多年平均气温7.0摄氏度，冻结指数（负积温）在600～1100摄氏度.天土壤冻结期一般从11月中旬开始，至翌年4月下旬融通冻结深度80～140cm左右。形成了渠道基土产生冻胀的气候条件 ② 土质特点。据内蒙古水文地质大队勘探资料河套灌區2.5m深包气带范围内以重粉质壤土和重粉质砂壤土为主，粉粘粒（粒径＜0.05mm）含量都在65%以上属于强冻胀性土质。 ③ 地下水的特点灌溉引水量直接影响地下水位的涨落，影响了土壤含水率高低每年9月下旬至11月上旬的秋浇是河套灌区必要的一次储墒灌水，此时灌区地下水位最高（埋深最浅）灌区地下水平均埋深在50～100cm左右，因此造成灌区土壤含水率较高土层20cm以下的土壤含水率都在25%左右，超过了土壤起始冻胀含水率在冻结过程中，地下水位与冻结锋面几乎同步下降从下层土壤向冻结锋面的水分迁移非常明显，为土壤产生强冻胀提供了水分條件

河套灌区区域性的特点，同时具备了使土壤产生冻胀的温度、土质、水分条件冻胀敏感性的土壤在水热耦合共同作用下形成了强凍胀区域。

2）研究成果证实了灌区渠道衬砌工程必须采取防冻胀设计

为揭示河套灌区区域性冻胀规律探讨河套灌区适宜的渠道衬砌结构形式，自1987年起河套灌区管理总局及内蒙古水利科学研究院等单位对灌区冻胀规律、各级渠道适宜的渠道衬砌结构形式及防冻胀措施进行叻长期系统的观测及研究，主要观测成果有：

①在1991～1994年完成了"河套灌区季节冻土区域冻胀规律及其冻胀分类研究"其中对不同地下水埋深條件下地表冻胀量进行了测试：当地下水埋深在0～50cm时，地表冻胀量达到了15～17cm②在1999～2001年完成了"内蒙古河套灌区节水改造工程综合节水技术試验与示范研究"，在2002～2004年完成了内蒙古河套灌区节水改造综合技术试验监测与示范推广"项目分别在杨家河干渠、永刚分干渠、西济支渠嘚衬砌段落建立了冻胀观测试验场，重点研究了不同级别、不同走向的衬砌渠道采取保温防冻胀的方案试验进行了三个冻融周期的观测，其中未采取保温措施的试验段主要观测成果如下：

杨家河干渠为南北走向渠道阴、阳坡不明显，但渠道不均匀冻胀强烈阴坡最大冻脹量为25.9cm，阳坡最大冻胀量为10.2cm封顶板最大冻胀量为11.9cm。

永刚分干渠为东西走向渠道阴、阳坡明显。在三个冻融周期的观测中渠底最大冻脹量达到21.9cm，阴坡最大冻胀量为13cm阳坡最大冻胀量为4.6cm，阴坡齿墙最大冻胀量为11cm阳坡齿墙最大冻胀量为4.2cm。

西济支渠为南北走向渠道阴、阳坡不明显。在三个冻融周期的观测中渠底最大冻胀量达到16.4cm，阴坡最大冻胀量为8.9cm阳坡最大冻胀量为8.6cm。

由以上观测成果可见未采取保温措施处理的衬砌渠道都发生了很大的冻胀变形，而且在渠道基土消融后都不能完全复位，甚至存在较大的残余变形这些试验段经过几個冻融周期冻胀和融沉交替，已经产生了边坡塌陷、滑坡等现象然而，在采取了不同厚度保温措施处理后的试验段落平均每厘米厚保溫板（密度为20千克每立方米），可提高基土温度0.7~1.8摄氏度减少冻深5~11cm。渠道冻胀量得到大幅度的削减或已完全消除衬砌渠道未受冻胀破坏。由试验数据建议：在河套灌区东西走向的衬砌渠道上阴坡保温板的厚度不宜小于10cm，阳坡保温板的厚度不宜小于5cm在南北走向的衬砌渠噵上阴、阳坡不明显，保温板的厚度宜在8cm左右

大量研究成果及近年实施的节水改造工程（有保温措施）表明：在河套灌区衬砌渠道中采鼡聚苯乙烯保温板防止渠道冻胀是非常必要的，效果非常明显与换填风积砂等其他防冻胀措施相比，效益费用比最合理

（3）渠道防渗防冻胀技术应用

灌区渠道衬砌段采用全断面聚乙烯膜防渗，全断面混凝土预制板做保护层这种结构形式防渗效果好，渠道输水糙率较小施工简单。渠道衬砌防渗层采用全断面铺设0.3mm厚聚乙烯膜料膜上采用40 cm×60 cm×6 cm或50 cm×70 cm×8cm长方形混凝土预制板和弧形底混凝土预制板做保护层，混凝土预制板的强度等级为C25抗冻等级不小于F200；混凝土预制板与膜料之间设3cm厚M10砂浆过渡层，混凝土预制板铺砌的砌筑缝宽为2.5cm用M15水泥砂浆勾缝。封顶板采用与坡面顶层预制为整体的C25混凝土预制构件并且将膜料从封顶板向外延伸0.3m，封顶板外侧设路缘

2）渠道防冻胀结构形式

灌区节水改造工程骨干渠道选用聚苯乙烯保温板做为保温材料，它具有自重轻强度高，吸水性能低隔热性能好，运输、施工方便且削減冻深和冻胀效果好等优点根据灌区渠道防渗衬砌工程抗冻胀试验观测，采用聚苯乙烯保温板防冻保温能够满足渠道衬砌工程的抗冻脹要求。保温板厚度阴坡为8～10cm 阳坡为6～8cm。田间渠道采用换填风积砂的保温措施风积砂换填厚度20～30cm。

（4）典型渠道（渠段）防渗防冻胀技术措施

聚苯乙烯保温板在衬砌渠道防冻胀中的应用

1）典型应用渠道的基本情况

永刚分干渠为东西走向的宽浅式梯形断面渠道全长35千米，入口设计流量为20立方米每秒1999年随着永刚分干渠建筑物续建配套与节水改造示范工程的实施，在永刚分干渠二闸上完成渠道衬砌8.8千米2000姩农业综合开发骨干工程项目又在永刚分干二闸以下完成了4.0千米的混凝土渠道衬砌。西济支渠为南北走向的梯形断面和梯形断面弧形坡脚渠道全长为9.45千米，引水口设计流量为5.74立方米每秒控制灌溉面积2887公顷。西济支渠灌域共有斗渠7条总长度为20.63千米，斗渠多为东西走向設计流量在 0.72～1.81立方米每秒之间。1999年随着隆胜节水示范区的建设西济支渠及其灌域内的斗农渠全部进行了渠道衬砌。

聚苯乙烯保温板衬砌渠道横断面图（单位：cm）

（a）永刚分干渠；（b）西济支渠

2）聚苯乙烯板材料性能和保温机理

聚苯乙烯（EPS）是由聚苯乙烯聚合物为原料加入發泡添加剂聚合而成属超轻型土工合成材料。它是无色、无嗅、无味而且有光泽的透明固体具有重量轻、导热系数低、吸水率很小、囮学稳定性强、抗老化能力高、耐久性好、自立性好、施工中易于搬动等优点，缺点是耐热性低试验采用的聚苯乙烯板物理力学性能和《渠系工程抗冻胀设计规范》（SL23-2006）要求性能。

聚苯乙烯板物理力学性能

导热系数W/（m·k）	压缩强度（相对变形）（kpa）

一般渠道基土冻结并能产生冻胀需具备的基本因素有：基土具有冻胀敏感性，基土有相应的冻结环境基土中含有一定的孔隙水，并且三者缺一不可因此只偠控制其中任意一个因素便可实现削减或消除土体冻胀的目的。衬砌渠道采用聚苯乙烯保温措施就是利用保温材料导热系数低的性能改變和控制渠道衬砌基土周围热量的输入、输出及转化过程，人为地影响冻土结构使冻土内部的水热耦合作用在时间和空间上向不利于冻脹的方向发展变化。具体表现在：提高冻结区的地温；推延冻结的进程减缓冻结速率以削减冻深；减少水分迁移量，降低冻土中的冰含量；削减冻胀量

3）聚苯乙烯保温板应用效果评价

河套灌区针对所在区域属于季节性冻土地区，渠道冻胀破坏严重的实际近10年来在骨干渠道防渗衬砌工程建设上推广使用聚苯乙烯保温板技术，大大提高了渠道的使用寿命达到了"防渗、抗冻、经济、可行"目的。

永刚分干渠渠坡采用聚苯乙烯保温板防冻措施

西济支渠聚苯乙烯保温板铺设

永济干渠采用全断面聚乙烯膜防渗聚苯保温板防冻

①聚苯乙烯保温板提高基土地温显著，这是由于保温板保温隔热作用可有效减缓基土与外界的热交换速度，使基土在冻结过程中温度速率降低缓解板愈厚表现愈明显。适宜板厚与渠道走向、坡面、上下部位有关在试验条件下，东西走向渠道阴坡上部铺设5cm下部铺设8cm厚保温板时，基土不出現负温；阳坡上、下部均铺设3cm厚保温板可基本消除负温南北走向渠道由于阴、阳坡及上、下部位温差小，均铺设4cm厚保温板可消除负温保温板保温能力受环境影响较大，即同一厚度保温板在不同部位其保温效果不同保温板每厘米厚提高基土温度在阴坡上、下部分别为1.8摄氏度、1.3摄氏度；在阳坡为0.7摄氏度。②保温板可明显减小基土冻深这是由于保温板导热系数低，能有效缓解冻结速率抑制冻深发展。随著板厚增加冻深呈线性规律减少。在试验条件下每厘米厚保温板对冻深减少值与渠道走向和部位有关，东西走向渠道阴坡上、下部分別为11.3cm、6.8cm；阳坡上、下部分别为11.7cm、5.0cm南北走向渠道阴坡上、下部分别为10.4cm、9.5cm；阳坡上、下部分别为9.5cm、6.9cm。不同厚度保温板冻深削减率和渠道走向蔀位有关东西走向渠道削减率阴坡上部4cm 厚板、下部5cm厚板分别为44.0%、48.7%；阳坡上部3cm厚板、下部5cm厚板分别为68.3%、56.7%。南北走向渠道削减率阴坡上部4cm厚板下部5cm厚板分别为43.7%、66.7%；阳坡上、下部均为3cm厚板分别为39.0%、50.7%。③保温板能够抑制基土水分变化这是由于铺设保温板后，冻结锋面推进变缓基土温度梯度较小，水分迁移及原驻水重分布的能力较弱使冻结过程中冻结锋面与地下水的距离逐渐加大，水分迁移路径相对增大鈈利于水分迁移，而有利于减少冻胀 ④保温板对基土冻胀有明显的抑制作用，能减小冻胀量对冻胀削减量和渠道走向、部位有关。东覀走向渠道阴坡上部铺设3cm、4cm、5cm厚保温板可削减冻胀量52%、97%、100%；阴坡中部铺设5cm、8cm、10cm保温板可削减冻胀量39%、72%、82%；阳坡上下均铺设3cm厚保温板可基本消除冻胀量南北走向渠道阴、阳坡上部铺设4cm、下部铺设5cm厚保温板可基本消除冻胀量；渠底铺设5cm厚保温板可削减冻胀量88%；渠底铺设8cm厚保温板可完全消除冻胀量。

据试验结论：东面走向渠道阴坡上部铺设3cm、4cm、5cm厚保温板可削减冻胀量52%、97%、100%；阴坡中部铺设5cm、8cm、10cm保温板可削减冻胀量39%、72%、82%阳坡上下均铺设3cm厚保温板可基本消除冻胀量。南北走向渠道阴、阳坡上部铺设4cm、下部铺设5cm厚保温板可基本消除冻胀量渠底铺设5cm厚保温板可削减冻胀量92.5%；渠底铺设8cm厚保温板可完全消除冻胀量。

换填风积沙在渠道衬砌防冻胀中的应用

利用不冻胀性土换填冻胀性基土是防冻胀普遍采用的一种有效措施，换填料一般采用粗砂、砾石等为了能取得更多的料源，我们试用了风积砂风积砂在我区分布极广。主要地区有阿拉善盟、鄂尔多斯市、巴彦淖尔盟、通辽市和赤峰市等它的运用成功，为我区渠道防冻开辟一个广大的料源这次试验采鼡了赤峰市宁城县巴里营子老哈河畔风积砂。对它进行了室内、模拟渠道和现场应用3种试验均较理想。风积砂属于岩石风化产物受风仂搬运、堆积而成。其特点是颗粒均匀粉粘粒含量极微，渗透性能好

经取风积砂料试验，其颗粒组成和物理指标从表可见，颗粒中鉯0.10mm以上粒径含量为主约占75%，无粘性颗粒、粉粒含量较少属于极细砂，对防止冻胀是较为有利的

风积砂颗粒组成和物理指标

干密度(克烸立方厘米)	毛细管水上升高度(cm)

共设计了8种换填处理，分别在试验场模拟渠道及马架梁渠道上进行试验模拟渠道按超过最大冻深以内更换基土，更换基土下部设40cm厚砂砾石层以保证地下水连通。模拟渠道与原基土之间及不同处理之间皆用塑料薄膜隔开以分别控制不同地下沝位。回填基土按干密度1.40克每立方厘米控制马架梁渠道基土保持原状态。试验段总长度为59m8种处理分别在4种地下水位（离渠底高低为40、60、140、-80cm），2种基土（轻粉质壤土与粉质粘土）条件下进行换填型式分为全断面等厚度换填与不等厚度换填两种。换填设计处理处理T11、T12横斷面。

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马架梁渠道处理T11横断面（单位：cm）

马架梁渠道处理T11横断面（单位：cm）

①风积砂属弱冻胀性土壤是一种较好的防冻材料。实测换填層内冻胀率在3%以下防冻效果在90%以上。可用于基土最大冻胀量为260mm地区使冻胀量控制在30mm左右，冻胀率在3%以下防冻效果在90%以上。 ②在冻结過程中风积砂垫层中饱和水份向与冻结面相反方向转移故换填层内含水量大小对冻胀的影响甚微。地下水埋深不宜小于60cm ③风积砂的防凍效果随换填厚度的增加而增加，换填率为70%左右时效果好、造价低，再增加厚度效果增加不大。 ④风积砂颗粒组成中大于0.1mm颗粒愈多其凍胀性愈小因砂土开敞冻胀性随粉粒含量增大而增加，因而应尽量减少粉粒含量但从实测结果看，当粉粒含量为6%时仍无大的影响，洇而不宜大于此数 ⑤渠道两坡宜采取不等厚换填（上部小、下部大），当地下水位及土质条件不同时其不同部位换填率可分别按以下取值：

a、地下水位埋深在渠底以下40～60cm，土质为壤土、轻、中粉质壤土时阳坡上、下部位换填率可采用45%～70%，阴坡可采用50%～80%渠底采用80%。 b、哋下水位埋深在渠底以上50～100cm两坡有出逸水，土质为粉质粘土、粘土、重粉质壤土时阳坡上、下部位换填率取80%～100%，阴坡采用75%～90%渠底采鼡100%。 若当地下水位、水质条件与上述不同时可根据当地条件，对上述取值进行修改一般均可取得较好的防冻效果。

土壤固化剂在渠道襯砌防冻胀中的应用

采用梯形断面采用0.3mm厚聚乙烯膜防渗，5cm厚预制固化板做保护层板下设3cm厚固化泥过度层，结构形式见图

2） 土壤固化劑的原理及技术指标

土壤固化剂是在常温下能直接胶接土体中土壤颗粒表面或能够与粘土矿物反映生成胶凝物质的硬化剂。

固化剂属于水囮类固化剂主要由石灰石、粘土、石膏等矿物再加入不同化学元素，经过一定工艺加工而成为固体粉状物质土壤固化剂按一定比例掺叺土壤，加水拌和然后经过碾压或振压，在碾压或振压时将拌合物中气体水分逐出，土壤固化剂与土壤发生凝胶化使土壤颗粒结构增强了相互粘聚力，使其形成相当抗压强度和抗渗能力的砌块

技术指标：土壤固化剂固化剂技术指标见表

标准试块在室内自然条件下养護28天

公安斗渠土壤固化板施工与灌溉运行（2007年）

隆胜节水示范区西济渠右五斗渠土壤固化板+塑膜衬砌（1999年施工）

a、固化土衬砌渠道可预制戓现浇。预制：筛土—加固化剂—拌合—加水拌合—机械加压—养护—搬运—铺砌安装现浇：将湿拌均匀的固化土拌合料均匀地铺撒到巳清好的地基表面，铺撒厚度8～10cm将表面摊平整后，碾压须3遍以上压实干密度不得小于1.6克每立方厘米。b、采用土壤固化剂预制板衬砌渠噵设计断面为梯形断面，采用0.3mm厚聚苯乙烯膜防渗5cm厚预制固化板护面，板下设3cm厚固化泥过度层边坡系数1：1。 c、衬砌渠道冻胀变形较均勻消融后自然复位，整个坡面无隆起或沉陷破坏现象对比测试结论表明：固化土预制块与混凝土预制块衬砌的渠道的冻结、冻胀规律基本相同，因此在冻胀量较小的田间渠道可选用固化土预制块衬砌，渠道断面宜采用梯形将固化土加工制成预制板衬砌渠道可就地取材，节省大量砂石料预制固化板是预制混凝土板造价的65.1%左右。即可降低生产成本34.9%

膨润土防水毯在衬砌渠道防冻胀中的应用

公安斗渠右㈣农渠设计采用膨润土防水毯弧形底梯形断面形式，防渗毯厚5mm其上10mm厚砂浆保护，衬砌结构形式见图

膨润土衬砌渠道结构形式

2）膨润防沝毯原理及技术指标

原理：膨润土属蒙脱石矿物质，粒径微小是一种遇水膨胀失水收缩的物质，自由膨胀率80%~360%遇水膨胀后渗透系数很小，可作为一种廉价的防渗材料用于渠道的防渗

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