渠道防渗防冻胀技术应用讲座

十、 山西尊村灌区渠道防渗防冻胀技术应用

（一）灌区概况

尊村灌区位于山西省南端运城市中、西部，黄河小北干流东侧，涑水河盆地。灌区东、南两面环山，西临黄河，北接黄土台塬，为半封闭盆地，呈东西条带状，东西长113km，南北宽30km。灌区总体地形是东北、西北、东南部高，西南和中部低，三面高，中间低。地面高程约在海拨350~550m之间。

灌区属于干旱、半干旱大陆性季风气候，全年受季风活动影响，一般每年十月至翌年五月，受西伯利亚干冷气流控制，盛行西北季风，最大风速17米每秒，气候特点是多风少雨。汛期一般为六至九月份，受太平洋暖湿气流控制，盛行东南季风，特点是降雨集中，且多暴雨及雷阵雨，多年平均年降水量为540mm，汛期降水量占全年60%以上，年降水量年际变化也较大。多年平均水量蒸发量在2000mm左右。年平均气温为13摄氏度，最高气温42摄氏度，最低气温-10摄氏度，无霜期为210天，年径流深在10~25mm之间，年径流系数为0.02~0.05。地下水资源可开采模数为8.06。多年平均冻土深29.1cm，最大冻土深42cm，属季节性冻土。年太阳总辐射量为121~129千卡每平方厘米，年日照时数为2350小时，大于10摄氏度积温为4563摄氏度。本区热量丰富，光照充足，灾害天气以干旱为主，且出现频繁，持续期长。

灌区地貌根据地形和构造特征分四个单元：峨嵋岭倾斜平原、涑水河河谷带状平原、鸣条岗黄土长梁和青龙河河谷平原。本区出露地层主要为第四纪地层，有下更新统（Q1）冲洪积及冲湖积亚粘土夹层和砂砾层；中更新统（Q2）冲洪积亚沙土亚粘土夹砂砾石层；上更新统及全新统（Q4）风积灰黄色亚砂土、冲积的亚粘土夹中粗砂层。根据土工试验，其土质为Ⅰ级非自重湿陷性黄土。该区地处山西陆台南端，属祁吕贺兰山字型构造体系东翼的一部分，同时受秦岭、新华夏构造的影响。本区是夹在孤峰山~稷王山~紫金山隆起带和中条山隆起带中间的一个盆地沉降带。盆地两侧有次一级的断裂构造带。主要工程地质问题是黄土湿陷性问题。

由于灌区处在沉陷带上，不同时期和地段堆积了不同厚度的湖积物、河湖积物、冲洪积物，分布的多层砂砾石层为地下水储存、运移创造了条件。在水平方向和垂直分带上差异较大。地下水类型为松散层孔隙水。据埋深不同，含水层时代和水动力特征可分为浅层水、中层水和深层水。埋深一般在20m以下，地下水运移方向大致为北东~南西向。

浅层水质类型水平分带性很强，其水质类型主要为HCO3•SO4~Na与SO4~Na型水以及Cl~Na型水，矿化度l~5克每升，局部可达10克每升，属于半咸水和咸水，而且从区域四周到中间，水质越来越差。据评价，不符合灌溉标准。

中深层水水质类型以HCO3•SO4型水为主，矿化度1~2.5克每升，盐湖区最高达6.2克每升，据评价，除盐湖区外均符合灌溉标准。本区内部分地区，如盐湖区新郭、寨里，永济青渠屯等地，氟离子、NO3-、NO2-、NO4-均有不同程度超标。

尊村灌区范围包括永济、临猗、盐湖区、夏县、闻喜五县（市、区），37个乡镇，596个行政村，农业人口71万人，农业劳力40.45万人。农业机械约3万台，以拖拉机、三轮车、收割机为主。农业总产值16.93亿元，人均年收入3015元。区内工业主要有钢铁、化工、机械、轻纺、建材及食品等大中小型工矿企业158个，其中海鑫钢铁集团公司、南风化工集团公司最为著名。灌区总土地面积269.86万亩，总耕地面积187.08万亩，设计灌溉面积166万亩，有效灌溉面积84.19万亩，2009年实灌面积51.79万亩。

尊村一级站工程于1976年2月破土动工，随后二至九级站工程亦相继动工上马。1979年为贯彻国民经济调整方针，六至九级站停工缓建，集中力量进行一至五级灌区工程施工，由此形成了一、二期工程。

截止目前，尊村灌区已建成9级23站，总干渠133.92km（其中海鑫供水管道31.62km），分干渠四条107.27km，支渠81条504.02km，斗渠3290条，长3319km，配套面积84.19万亩。

尊村灌区的防渗技术除条山分干0+000~16+800为砌石矩形渠、海鑫供水为31.62km预应力砼管道、八干一支为5.4 km双壁波纹塑料管外，其余的一至五灌区干、支、斗渠均为衬砌砼预制板，六至八干、支渠为现浇砼梯形渠，砼下铺设土工布，斗渠为现浇U形渠。据《渠道工程抗冻胀设计规范》（SL23—91）3.2.1条规定，选取渠道断面上的冻胀量最大值2.29cm为衬砌渠道的最大冻胀位移值。据规范表3.2.3，整体式U形渠允许位移值为4~5cm，而计算得渠道的最大冻胀位移值2.29cm，小于规范允许值，满足抗冻胀要求，不需采取防冻胀工程措施。

（二）灌区渠道防渗防冻胀技术措施应用情况

一至五灌区工程由于年久失修，渠道老化严重，勾缝脱落，渠水渗漏，渠床塌陷，防渗板悬空，决口跑水经常发生，渠道路漏损严重，用水效率低下，严重影响灌区效益的发挥。1999年，国家实施大型灌区节水改造工程项目，我们紧紧抓住机遇，进行灌区节水改造。改造的项目主要是老化淤积无法运行的干支渠，取得了一定的效果。截止2009年底，完成29条支渠长度161.491km改造，改造形式为现浇C15砼U形、及弧底梯形渠（渠首段50~80m）。改造段每4m设一横向伸缩缝，缝宽2cm，采用聚氯乙烯胶泥填塞和1:1:4沥青水泥砂浆封口。U型渠的主要优点是：①水利条件好，近似最佳水力断面，可减少衬砌工程量，输沙能力强，有利于高含沙水流。②在冻胀性和湿陷性地基上具有一定的适应地基不均匀变形的能力。③渠口窄，节省土地，减少挖填方量。④整体性强，防渗效果优于梯形断面。⑤便于机械化施工，可加快施工进度。⑥砼U形渠抗磨蚀、防渗均优于其他防渗渠，伸缩缝的设置能较好适应气候变化、湿陷黄土地基下沉的影响，因而延长渠道使用寿命。

（三）典型渠道防渗防冻技术措施案例分析

1、一干三支及分支渠

尊村灌区一干三支及分支渠建于1978年，进口位于一干渠011+010处（永济市张营太吕村），全长5.0km，原设计流量0.48立方米每秒，灌溉面积1.06万亩，受益范围为永济市张营乡黄河滩涂地。渠道走向分为"东~西"和"南~北"向，土壤为沙壤土，土的干密度为17~18千牛每立方米，天然含水量16%，土的塑限含水量为20%，多年平均冻土深29.1cm，最大冻深42cm，属季节性冻土，地下水埋深5m。原渠道为梯形预制板防渗，由于原渠底高程过低，设计断面过大，渠道纵坡较缓，再加上渠水含沙量较大，实际过水流量较小（0.15立方米每秒），导致泥沙淤积严重，难以过水，另外工程年久失修，防渗板损坏严重，造成农作物得不到适时灌溉。

2005年10月~2006年5月份，完成了该渠3.93km的D100、D80"U"型改造。渠道设计采用较优断面，流速在不冲不淤泥之间。渠道水利要素：一干三支渠为D100，纵坡为1/1500~1/2000，渠深1m，口宽1.28~1.1m，流速0.76米每秒，衬砌厚度7cm，设计流量0.47立方米每秒。为避免壅水，影响量水精度，将0+000~0+050段改为弧底梯形渠，口宽2.42m。分支渠为D80，纵坡为1/1000，渠深1m，口宽0.8m，流速0.76米每秒，衬砌厚度7cm，设计流量0.2立方米每秒。

施工工艺：拆除原梯形渠预制板后，清扫干净，将现渠坡开挖成台阶状（30×30cm），用粘性土分层夯实，压实度不小于0.93，达到设计标高，反铲挖掘机开挖渠槽，人工精修符合U型标准断面后，用U型衬砌机浇筑砼，原浆收面，洒水养维。每4m留伸缩逢一道。冬季施工，按冬季施工要求进行，如加热水，加防冻剂，覆土保温等。

该渠改造后，满足了灌溉输水要求，2006年，当年配水15万立方米，浇地1700亩地。经抗冻胀计算，渠道的最大冻胀位移置为2.29cm，小于规范允许值，满足抗冻要求，不需要采取防冻胀工程措施。

2、四干二支渠

该渠建于1979年，进口位于四干渠69+750处，全长11.55km，大部分为挖方渠段，原设计流量1.2立方米每秒，灌溉面积3.5万亩，受益范围为运城市盐湖区金井乡。渠道走向分为"东~西"和"南~北"向，土壤为轻壤土，土的干密度为15~16千牛每立方米，天然含水量18%，土的塑限含水量为20%，多年平均冻土深29.1cm，最大冻深42cm，属季节性冻土，地下水埋深20m。原渠道为梯形预制板防渗，纵坡1/4000，由于渠道纵坡较缓，再加上渠水含沙量较大，渠道仅能过0.15立方米每秒流量，每年清淤需耗费大量人力和财力，给工程管理带来极大不便，造成农作物得不到适时灌溉，严重挫伤了群众用水的积极性。

2004年8月~2005年12月份，完成了该渠5.6km的D160"U"型改造，渠道水利要素：渠深1.3m，口宽1.98m，流速0.76米每秒，衬砌厚度10cm。设计流量0.9立方米每秒，灌溉面积调整为2.6万亩。

施工工艺：同上。

该渠改造后，无论输水能力、灌溉面积和抗冻害能力、耐久性都有明显提高。改造前输水能力只有0.15立方米每秒，从干渠进水口到王南村的输水时间长达5小时左右，配水不到10万亩，灌溉面积只有1000余亩。改造后，输水流量达0.8立方米每秒，输水时间只有2小时，2006配水67.35万立方米，灌溉面积1万亩，随后几年一直居增不减，产生了较好的经济效益和社会效益。由于渠道断面、纵坡设计合理，流速在不冲和不淤流速之间，防渗防冻胀效果明效明显提高。改造完成至今已过5个年头，渠道仍完好无损。

3、二干五支渠

该渠建于1979年，进口位于四干渠49+502处（开张镇高淮村），全长8.82km，大部分为半挖半垫渠段，原设计流量1.5立方米每秒，灌溉面积2.86万亩，受益范围为永济市开张镇。渠道走向分为"东~西"和"南~北"向，土壤为轻壤土，土的干密度为15~16千牛每立方米，天然含水量18%，土的塑限含水量为20%，多年平均冻土深29.1cm，最大冻深42cm，属季节性冻土，地下水埋深15m。原渠道为梯形预制板防渗，纵坡1/3000，由于渠道纵坡较缓，再加上渠水含沙量较大，渠道仅能过0.15立方米每秒流量，每年清淤需耗费大量人力和财力，给工程管理带来极大不便，造成农作物得不到适时灌溉，严重挫伤了群众用水的积极性。

2005年11月~2006年6月份，完成了该渠8.5km的D160、D100"U"型改造，渠道水利要素：D160为渠深1.3~1.1m，口宽1.33~1.98 m，流速0.8米每秒，衬砌厚度7cm，纵坡为1/800~1/1500，设计流量1.27立方米每秒，；D100为渠深0.9m，口宽1.23m，流速0.76米每秒，衬砌厚度7cm，纵坡为1/800~1/1500；设计流量0.62立方米每秒。

施工工艺：同上。

该渠改造后，无论输水能力、灌溉面积和抗冻害能力、耐久性都有明显提高。2006配水37.79万立方米，灌溉面积5000亩，随后几年一直居增不减，产生了较好的经济效益和社会效益。由于渠道断面、纵坡设计合理，流速在不冲和不淤流速之间，防渗防冻胀效果明效明显提高。改造完成至今已过5个年头，渠道仍完好无损。

（四）防渗防冻胀技术措施应用的体会和经验

防渗防冻胀技术措施在本地区灌区节水改造中显得尤为重要，若不能采取有效防冻措施，遇到严寒季节运行，必然引起防渗渠道的损坏。比如，2009年11份七干渠防渗板冻坏就是一例。七干渠总长740m，其中为高填方渠段500m。经过多年运行（1994年建成），渠道淤积严重，高水位运行，渠堤防渗压顶下沉，伸缩缝沥青砂浆剥落，渠水渗漏，另外压顶板不均匀沉陷，与渠床回填土不能很好结合，雨水灌渗，板后淘空。2009年11份，我市遭受到50年一遇的极端寒冷天气。在向海鑫集团供水中，渠道基土中含水量比较高，在冬季负温作用下，土壤中的水分发生冻结而造成土体膨胀，使衬砌体开裂，隆起而折断冻结膨胀，造成多处阴坡上部防渗板折坏、塌陷。为了不影响今年上水，我局立即对破损部分进行了修复，板后夯填土，破损处拆除重新浇筑砼，渠坡衬砌体顶部做好封顶，不被雨水灌入。采取以上措施后，保证了今年供水生产。

在渠道设计中，要严格按照《渠道工程抗冻胀设计规范》（SL23—91）进行抗冻胀验算，根据不同地区气候特点、自然条件、土质，经过技术经济比较，采用合理的防渗防冻胀技术措施；针对渠道不同的部位（阴坡、阳坡，坡顶、坡底）受冻程度不同分别采取相应措施。实践证明，根据工程具体条件，从渠系规划布置，渠床处理，排水，保温、衬砌的结构型式、材料、施工质量、管理维修等方面着手，全面考虑，采取适宜的防冻害措施，能有效地防止防渗工程的冻胀破坏。

采取适宜的削弱冻胀的措施，将渠床基土的最大冻胀量削减到衬砌结构允许变位范围内，达到保护渠道的目的。

1、防渗（隔水）、排水

防止渠水和渠堤水的地表水入渗，隔断水分对冻层的补给，以及排除地下水，是防止地基土冻胀的根本措施。

（1）防止渠水渗漏：防止衬砌体的伸缩缝或结构缝漏水，填缝采用聚氯乙烯胶泥，性能较好，基本上能满足工程要求，但造价较高，可适当采用。

（2）为防止渠堤上的地面径流入渗，需作好沿渠的防洪、排水工程（如截、排水沟，纳水口等），另外渠坡衬砌体顶部应做好封顶，以防来水浸入板后。

（3）隔断水分对冻结层的补给。采用塑料膜，油毡，人造橡胶膜等膜料，设置隔水层，隔断渠道渗水，大气降水和地下水对冻结层的补给，使渠基土的含水量低于起始冻胀含水量，从而削减或消除冻胀。一般是设置深浅两层封闭层隔膜，中填当地夯实土，填土厚应等于设计冻深，上层隔膜与衬砌体之间应设置过渡层。

2、压实

压实法可使土的干密度增加，孔隙率降低，透水性减弱。密度较高的压实土冻结时，具有阻碍水分迁移，聚集，从而削减甚至消除冻胀的能力。因此，可以通过渠床的压实处理，来达到防止冻害的目的。

就湿陷性黄土区的渠床而言，常采用泡水一翻松压实法。方法是：先放水浸泡，使土层逐步湿陷，而又不会发生过大的冲刷、崩塌，并对湿陷产生的洞穴及时回填，这样反复多次，再逐渐加大注水量，直到不产生湿陷为止。然后，凉干已基本稳定了的土基，使土壤含水量利于夯实。最后用适宜含水量的黄土或灰土回填。并逐层夯实。

3、隔热保温

将隔热保温材料（如炉渣、石腊渣、沥青草、泡沫水泥，玻璃纤维，聚苯乙烯泡沫板等）布设在衬砌体背后及地表面，以减轻或消除寒冷因素，并可减少置换深度，隔断下层土的水分补给，从而减轻或消除渠床的冻深和冻胀。一般在采用其他防冻办法不经济或到一些特殊地段时才采用。

4、化学处理

利用化学材料注入或埋入渠床基土中，使土中水的冰点降低或者增强土的憎水性，使冻结时不会发生（或很少发生）水分迁移现象，从而大大减轻或消除冻胀。常用的有食盐、氯化钙、氯化镁等。化学处理的耐久性较低，所需费用较大，尚在进一步研究中。

5、置换

在冻结深度内将衬砌板下的冻胀性土换成非冻胀性材料（纯净的砂砾、砂卵石及中、粗砂）的一种方法。通常又称铺设砂砾石垫层。砂砾石垫层不仅本身无冻胀，而且能排除渗水和阻止下卧层水分向表层冻结区迁移。所以它能有效地减少冻胀，防止冻害现象的发生。

置换法虽然能有效地防止衬砌板的冻胀，但由于一般灌区的内砂砾石料极缺，垫层工程量大，造价高，衬砌施工不便，所以除地下水位较高的渠段和砂砾石料丰富的地区可采用外，一般很少采用。

6、优化结构

在设计渠道断面和衬砌时采用合理的形式和尺寸，使其具有消减适应或回避冻胀的能力，常用的有梯形，弧形坡脚梯形、弧形、矩形和U型等，还有浆砌石弧形渠底，混凝土板砌渠坡等综合形式，也有的矩形渠，底为反拱砌石，两侧为预制空箱内填砂砾石的挡墙形式。

（五）存在问题及建议

1、我国地域辽阔，各地气候条件相差较大，渠道防冻胀目前无统一的防冻胀标准。应根据不同地区的气候条件进行分区，如：温带地区、寒冷地区、严寒地区，归属不同的防冻胀等级。根据不同的防冻胀等级，制定不同的防冻胀措施。在渠道设计中，执行防冻胀设防标准，规范渠道防冻胀设计。

2、加大渠道防冻胀技术应用宣传力度，不论在设计、施工和运行管理中，都要引入渠道防冻胀技术，延长渠道使用寿命。

3、要像建筑节能设计一样，北方灌区在渠设计必须有防冻胀设计，进行经济技术比较，选择节约投资，效果较好的防冻胀设计方案。

4、成立专门机构，从事渠道防冻胀技术研究。