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浅谈U型渠道地基防冻胀的技术措施

文档作者：沈伟王锋文档来源：千阳县水利局		点击数：	更新时间： 2022年12月09日
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摘要
关键词
浅谈u型渠道地基防冻胀的技术措施
沈伟王锋
(千阳县水利局 陕西 千阳 721100)
在北方干旱缺水地区，混凝土U型渠道以较佳的水力断面、利于输水输沙、占地少、省工省料、便
于管理等优点，被广泛应用于农田水利，颇受欢迎。但U型渠道的地基冻胀问题在现实中较为普
遍。作者结合混凝土U型渠道各类型的冻胀分析，总结了渠道冻胀的特点及具体形式，根据成因
提出了科学的防冻胀措施，值得设计、施工单位借鉴和运用推广。
渠道；地基冻胀；防治；措施
中图分类号：TV91 文献标识码：C
1U型渠道在千阳县农田水利中的
应用情况
在灌区水利工程建设中，u型渠道因具
有较佳的水力断面、利于输水输沙、占地少、
省工省料、便于管理等优点，应用较为广泛。
从2O世纪8O年代起，在千阳县灌区建设中，
利用农田基建、以工代赈、农资补贴、小水电
代燃料等项目普遍推广了混凝土u型渠道衬
砌工程。据统计，目前，全县8个乡镇各大灌
区中共建成u型渠道1260km。按断面规格划
分，直径30cm的渠占85％，直径40era的渠占
10％，直径40cm以上的渠占5％。按四级渠道
类别划分，斗、农渠达96％。其流量在
0．05m3／s～0．2 m3／s， 断面圆弧半径多为
0．15m一0．3m。由于千阳县地处渭北旱塬丘陵
沟壑地段，属大陆季风区，冬季气温低，1月
最冷，年极端气温一19．9℃ ，平均无霜期197
天，最长233天，最短156天，平均风速
24m／s，历年结冰期为11月至次年2月，约
120天。土壤最大冻结深度为40em～50cm，
渠床冻胀常给渠道工程带来相当严重的破
坏，既消耗了劳力，又造成了巨大的经济损失。
因U型渠冻胀问题，全县范围内的渠道均出
现了不同程度的破坏。据2013年元月调查统
计，全县断面30cm的U型渠因冻胀破坏共
26km，断面40em 的U型渠冻胀破坏8km，断
面40cm以j二的u型渠冻胀破坏3．2km。冻胀
破坏后，大部分渠道带病运行，渗漏较严重，既
浪费了有限的水资源，又造成了渠底土壤水分
加大，致使冻胀频率加剧。有的渠道因多次反
复冻胀，造成渠段裂缝、变形、直至无法正常运
行。U型渠道自推广应用以来，在县域农业生
料应尽可能详实、准确、可靠，必要时应作试
验和论证。灌区低压管道输水灌溉系统规划
设计所需的基础资料包括：灌区地貌、农业气
象、水库典型年的逐月逐旬流量，水库库容曲
线，设计年的洪水流量过程线、土壤及土壤特
性，土地利用现状，水利工程设施状况，社会
经济情况等。
3．2供需水量平衡分析
首先，对水库水质进行分析，从输水管道
防淤角度考虑，不容许粒径大干0．15mm的泥
沙进入管道，泥沙含量不得大于lOkg／m 。供水
量的计算要根据规划区的供水资料进行频率
计算，选择与灌溉设计标准相应的年份为代
表年。灌溉用水量要依据作物需水量及作物
系数及各级输水损失和田间损失来计算。最
后进行水量平衡分析，来规划管道输水控制
面积，确定作物种植结构及其种植比例，为合
理开发利用水资源提供依据。确保在同一灌
溉年内的供水量与需水量平衡。
33管道系统的布置
管道系统布置应结合原有渠系及灌水方
向，有利于工程分期实施，避免再次平整土地
而耗财耗力。干渠布置保持原有状况，采用明
渠输水以减少工程投资。斗渠垂直于干渠以
保证输水压力。分引渠平行于等高线，保证各
支管水头稳定。支管垂直于等高线以便于给
水栓分水，出水口位置、间距以按灌溉面积均
衡布置为原则，兼顾农户管理、使用方便，间
距要适宜。斗渠以下管线要平顺，尽量减少拐
弯、起伏现象，力求使管线最短、控制面积最
大，从而减少水头损失。田间管网应尽量使管
道双向控制，使单位面积管道用量最少，以减
少工程投资。同时，兼顾行政区划、道路、林带
等，密切结合，统筹兼顾。主要技术参数要达
到《低压管道输水灌溉工程技术规范》要求，
即管网水利用系数应不低于0．95，灌溉水利用
系数在0．80以上。做至 灌水方法合理、灌水定
额适当，做好灌溉节水和管理节水等综合措
施。田块整理实行小畦(沟)灌，同时，结合秸
秆还田、蓄水保墒、水肥耦合等措施，提高综
合节水效果。
3．4管网水力设计
为了保证管网正常运行，不出现过大的
正压和负压，使各级管道能按要求分流，给水
栓按要求出流，要通过调整管径，使管道内各
处的压力控制在预定的范围内。既要满足供
水压力需求，又要节约管材，做到安全经济。
南北两个干渠作为两个独立的管网系统，采
取续灌的方式。为满足抗旱要求，斗渠也按续
灌供水，斗渠以下各级管网按轮灌组供水。为
使水流稳定，对必要的同级管道可在适当位
置设置调压塔来调节管内水压。为保证灌溉
秩序，每条支管只开一个给水栓。灌区斗渠及
其以下管道控制面积小，因此全部均采用
PVC管，斗渠管径为400mm一500mm，分引渠
管径为160mm ～200mm， 支管管径为
120mm～160mm，根据各管段的设计流量，分
别计算出各段的水头损失、管段末端的工作压
力和各个分水口的_r作压力，最后确定管道的
具体直径。
3．5管道输水系统的淤堵问题
段家峡水库水源属于渭河流域，干渠输水
为明渠输水，水质浑浊且常带有杂物，为防止
泥沙及杂物进入管网，斗渠管道进口高程要高
于干渠渠底高程，并且要设置拦污删和沉淀
池，在进行管网设计时，要计算管道临界不淤
流速，选择合理管径，通过管路调节，保证管内
流速不小于临界不淤流速，从而有效的避免管
道於堵问题。
4结语
低压管道输水灌溉技术对缓解水资源
危机，改善农业生产水利设施条件和农业
生态环境，增加农民收入具有十分重要的
作用。大力推广应用这项节水灌溉技术，可
为建设节水型社会和国家粮食安全提供有
力支撑和保障。陕西水利
(责任编辑：周蓓)
产过程中发挥了举足轻重的作用，但因U
型渠道地基冻胀问题形成的重复建设的问
题亟待解决。
2U型渠道冻胀的类型及成因
分析
2．1渠道冻胀类型及特征
千阳县u型渠水源多为库水和泉水，
所建位置为沟道、坡面、路侧、田间，如南
寨、张家塬、水沟3镇，u型渠道因冻胀破
坏造成工程低效益运行和停用的现象较明
显。特别是水沟镇裕华村渠道，因施工时忽
视冻胀问题，造成30．4km渠道停用。从全
县u型渠道冻胀破坏原因和程度来看，可
划分为冻胀开裂复合型和冻胀隆起滑塌型
两类。冻胀开裂复合型：基土冻胀后，出现
衬砌面开裂，裂痕处尚平整，裂缝两边衬砌
体不错位，一般缝宽在lem以下，当冻土消
融后，部分裂缝趋向闭合。冻胀隆起滑塌
型：一种是渠道坡脚处衬砌体受到破坏，上
部混凝土体冻松后向下滑塌；另一种是渠
道底部受水流冲刷，坡脚基础内倾，造成壁
部砌体下滑；第三种是受冻胀后，在重力作
用下呈台阶式不规则的散乱状滑塌。
2．2渠道冻胀因素分析
上述冻胀类型，主要是由于基土冻胀
作用所致。渠道冻胀的一般现象：沟道和坡
面的多于路侧和田间，挖方的多于填方，土
壤含水量多的多于干旱地段，阴坡多于阳
坡。冻胀过程中，由于基土形成水分迁移，
除基土含水量这个主要因素外，还与基土
冻胀强度有关，基土颗粒大小、土壤毛管力
的强弱也决定基土水分在冻结过程中的迁
移情况。因渠坡比渠底排水条件好，土壤含
水量小，渠坡距地下水位远，土壤冻结时，
地下水迁移补给量也小，或迁移水尚未达
到渠坡某层部位时已冻结，相反，渠底排水
条件差，原含水量大，冻胀问题则更为突
出。尤其是挖方渠底，大多处于地下水位以
下，土壤含水饱和，且在冻结时不缺乏地下
水迁移补给，因此，冻胀情况更为严重。所
以，渠道基土冻胀量由渠底到渠坡顶逐渐
减少。另外，土壤含水量在冻结前较高，也
与渠道行水季节和灌溉习惯有关，冬灌就
直接关系到渠道基土冻胀。土壤冻胀多于
渠道砌体冻胀破坏，渠道砌体冻胀破坏与
基土特征、气温以及基土含水量有直接关
系，不同程度的冻胀差异，主要是由于不同
基土层含水量、地温的差异所致。基土的冻
胀量沿渠道横断面呈不均匀分布，渠底冻
胀量大，坡面各部位的冻胀量是由坡脚到
坡顶逐渐减小，呈三角形分布。冻胀过程
中，渠底断面线抬高，由坡脚到坡顶逐渐减
小，致使边坡冻胀部分的直线距离缩短，导
致基土断面发生变形。冻胀的基土断面发
生变形后，混凝土体由于不能适应这种变
形而发生错位、隆起、直至形成破坏。另外，
由于地下水位高或衬砌质量差，或冬季施
工，造成混凝土含水量大，渠道易破坏。冻
胀破坏往往是一个由轻到重的过程，先是
冻胀开裂，后是变位隆起至滑塌。滑塌主要
发生在春季消融阶段，支渠冻胀破坏的部
位一般发生在渠底部，斗渠冻胀破坏的部
位一般发生在坡脚。冻胀破坏轻时，如不及
时维修，冻胀的部位就不能恢复原状。当进
入冬季后，原来已冻胀隆起的基土会继续
发生冻胀变形，这时冻胀隆起的土体内就
会形成大量的冰夹层，变形的砌体也易受
到行水冲刷破坏，会进一步加剧渠道的损
坏，缩短渠道的使用寿命。
3U型渠道防冻胀的几种技术
措施
u型渠衬砌是很薄的护面，在严寒强
冻的地基上，要抵抗巨大的侧向冻胀力是
十分困难的。如果仅仅靠增加衬砌厚度，则
很不经济，故应采取技术措施加以科学防
治，则会减轻或避免冻胀破坏。基于以上u
型渠道冻胀类型和成因分析，在工程技术
上可采取以下防治措施。
3．1改善深宽比值，分散冻胀力
在严重冻胀地段，一般支渠断面可采
用H／B-O．65；较大的渠道可采用H／B=0．6。
在设计断面时，宜采用较大的半径，以降低
直线段高度，保持圆心以上的水深较小，使
过水断面更趋于半圆，同时也要适当增大
圆弧部分的刚度，这样会使结构的受力条
件得到有效改善，从而分解冻胀力，以减轻
冻胀破坏。
3．2整体上抬拱底，降低冻胀力
u型渠槽基土冻胀量的分布一般是底
部大于两侧，当拱底随基础变形上抬时，两
边基础形成约束，致使两侧砌体受压，加之
法向冻胀力从板后作用，常常造成边板从
中部破坏。为减少阻力，使u型渠槽整体能
适应基础变形上抬，最好的办法是在砌体
靠土基一侧铺设塑料薄膜。铺设塑料薄膜
不仅可以减小槽体上抬，使各项冻胀力减
小，而且又能减少渗漏，明显降低地基含水
量和冻胀压力。加铺塑料薄膜虽增加了施
工工序和工程费用，但在较寒冷的地区却
能避免或降低砌体冻胀破坏，更重要的是
能有效地延长工程使用寿命。
3_3采取基土换填，预防冻胀破坏
一般挖取易冻胀土壤的深度为1／2～
2／3，再换填不易冻胀的土壤，以改善基础条
件。在基础条件较差的土质或特殊情况下，
可采用砂砾石做垫层，也可采用灰土做垫
层。基土换填措施应用后，基土水分明显减
小，含水量大大降低。所以，采取基土换填
预防冻胀破坏的措施十分有效。
3．4放缓直线段边坡，易于减轻冻害
施工时，直线段外倾角可增大到25。。
这样一来可降低摩擦力，在力的作用下，因
基土冻胀力向上作用，渠侧部的阻力相对
减小，冻胀力得到削减，会大大降低渠道冻
害破坏程度。
3．5降低基土含水量，减少冻胀隐患
做好渠道防渗是保证工程质量的前
提。施工时，首先确保防渗工程质量，尽量
减少渗漏，必要时可增设纵横向排水系统，
将水排出渠床以外，或隔绝其它补充水源，
使渠床土壤含水量降到最低程度。石料方
便的地方可采用砌石U型渠道，从而减轻
渠床的冻胀。
3．6合理运用伸缩缝，避免冻胀开裂
合理运用伸缩缝不但可抵御u型渠道
混凝土热胀冷缩的特性，又可避免因低温
引起地基冻胀所产生的渠道开裂。在适当
的部位预留伸缩缝和填充厚度合理的材质
是很有必要的。一般横向伸缩缝的距离为
2m～4m，通常采用的缝型为半缝、矩形缝、
梯形缝。半缝适用于衬砌机连续浇筑施工；
矩形缝和梯形缝适应于混凝土预制施工和
现场分块浇筑或喷射混凝土施工。夏季施
工时，要事先在缝内混凝土表面涂刷冷底
子油，然后可在伸缩缝内填充1：4沥青水
泥砂浆、预制木板条、三毡四油材料。冬季
施工时，缝内应采用性能较好的焦油塑料
胶泥或聚氯乙烯材料，这样不但可避免渠
道冻胀开裂，还可延长T程寿命。
4结语
随着近年来u型渠道_T程建设进程的
加快，因地基冻胀致使重复建设而消耗国
家投资的问题应引起高度重视。对渠道进
行科学设计和施工，并采取防冻胀措施不
容忽视。同时，广大水利工作者在学习和实
践中，应科学应用和推广U型渠防冻胀技
术，从而达到根治的目的，进一步推动水利
工程建设经济化，效益化。陕茵水利
(责任编辑：周蓓)

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