渠道防渗防冻胀技术应用讲座

二、 内蒙古河套灌区渠道防渗防冻胀技术应用

（一）河套灌区概况

1、灌区地理位置

黄河内蒙古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，地理坐标为北纬40度19分～41度18分，东经106度20分～109度19分，西与乌兰布和沙漠相接，东至包头市郊区，南至黄河，北抵阴山山脉的狼山及乌拉山，灌区横跨巴彦淖尔市的7个旗县区，东西长200余km，南北宽40～60km，灌区总土地面积1679.31万亩，现灌溉面积861.54万亩，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之一。

2、水文、气象及水资源条件

（1）水文条件

河套灌区南缘为黄河，是河套灌区主要灌溉水源，经三盛公水利枢纽调节控制后，由与黄河并行的总干渠向灌区供水。据磴口水文站实测年径流资料统计，多年平均径流量259.6亿立方米，黄河多年平均悬移质输沙量为0.890亿吨，多年平均含沙量为3.46千克每立方米。黄河巴彦淖尔市段属黄河上游地区，地处黄河流域最北端，全长340 km，西起磴口二十里柳子，东至乌拉特前旗池家圪堵，占内蒙古黄河干流总长的47 %。国家重要设施包兰铁路、拉丹高速公路、110国道、京兰国防通讯线路、京呼银兰光缆通讯、输变电线路及输水大动脉总干渠均紧贴黄河大堤，形成七线并行之势。据黄管局资料，黄河水封冻日期一般在12月10日至25日，解冻日期一般在翌年3月10日至20日，封冻期为90～110天左右。每年3月20日左右黄河出现凌汛，4月中旬凌汛结束，4月底至5月初正是灌区头水灌溉期。黄河水质优良，矿化度在0.5克每升左右。

乌梁素海位于巴彦淖尔市乌拉特前旗境内，地处黄河河套灌区东端，地势最低，北侧与狼山洪积扇相接，东侧与乌拉山洪积阶地相连，是黄河流域最大的淡水湖和自治区第二大淡水湖泊。在我国湿地、荒漠及动物物种三大生态系统保护中均具有十分重要的地位。乌梁素海南北长约40km，东西宽5～10km，海水位控制高程1018.5～1019.0m。水面面积约45万亩，最大水深2.5m左右，小于0.7m的水面占总水面面积的85%，湖水较浅，蓄水量约3亿立方米。乌梁素海是有径流条件的湖泊，湖水的补给源主要是河套灌区的灌、排水及山洪水，据统计灌排渠系年入湖水量占湖水总补给量的86%。此外还有大气降水、山洪水及地下径流的补给。从水文测验资料分析，湖水总体流向为由北至南。根据多年统计资料，河套灌区排入乌梁素海水量(1987～1997年)年均6.18亿立方米，包括降水及山洪水量，乌梁素海从西山咀排入黄河水量2.42亿立方米，湖水年均蒸发量3.11亿立方米。

（2）气象

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，干燥多风、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摄氏度，自东向西升高，平均相对湿度40～50%。年封冻期5～6个月，最大冻结深度1.0～1.3m。封冻期由11月中下旬至翌年4月，无霜期135～150天，全年日照期3100～3300小时。

降水量在年内变化较大，分配极不均衡。灌区多年平均降水量163.8mm，降水区域分布有明显的东西分带性，自东向西递减，由于受季风的影响，夏秋两季（6～11月）降水量占全年降水量的85%以上，春季降水量占10~20%。

灌区多年平均蒸发量在2194.5mm，蒸发量是降水量的10~16倍，并自东向西递增。年内蒸发量变化较大，以春未夏初蒸发量最大，冬季蒸发量较小。

灌区年均气温6～8摄氏度，月平均最高气温在7月份、最低在1月份，初霜日在9月下旬，终霜日在4月上中旬，平均无霜期135～150天。土壤封冻期长达180天，封冻期在11月下旬至下年4月，土壤冻结厚度在1.0~1.3m左右，土壤完全解冻融通在第二年5月中旬，即在小麦灌头水时才能融通。

灌区风多、风力强，全年以西风和西北风为主，每年春冬两季为本区风季，冬季风力强，春季持续时间长，多年最大月平均风速19.6米每秒，全年风沙日47~105天，强烈的春季季风是造成灌区蒸发的主要原因之一。

（3）水资源条件

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、分干渠、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。

河套灌区的地下水主要依靠引黄水的入渗补给，其次为大气降水入渗和北部狼山、乌拉山的侧向径流补给。受传统用水方式的影响，河套灌区地下水的开发利用，在过去仅限于城镇生活用水、农村人畜饮水和工业用水，近些年在乌兰布和灌域、乌北灌域、三湖河灌域等地小面积的发展了一些井灌。

3、水文地质与工程地质条件

（1）灌区地质概况

河套灌区第四系地层广泛分布，厚度大于1000 m，由于地质构造、古地理环境和地貌条件的控制，第四纪沉积物在不同地貌单元及不同地质时期，其成因、岩相和岩性，具有不同的特征。

河套平原在地质构造上属于华北地台（一级）鄂尔多斯台向斜（二级）的一部分，为一形成于中生代侏罗纪晚期的断陷盆地（三级）。

河套灌区属华北地震区，阴山～燕山地震亚区，河套断陷地震活动带。该区新构造运动表现十分强烈，地震活动的特点是频度高、强度低。根据《中国地震动参数区划图》GB18306--2001，陕坝～磴口一带地震动峰值加速度为0.20 g，相应地震基本烈度为Ⅷ度；其它地区地震动峰值加速度为0.15 g，相应地震基本烈度为Ⅶ度。

（2）区域水文地质条件

河套灌区地处干旱气候带，地质构造上为长期下沉的封闭断陷盆地，在漫长的地质时期中，一直为湖水所占据，这种自然条件控制着地下水的形成和分布，因此使河套灌区具有明显的干旱气候带沉降盆地型水文地质特征。

含水层分布规律

河套灌区含水层的分布主要受以湖相为主的古地理环境和黄河泛滥改道冲积的影响。由于不同地质时期的古气候、古地理环境、沉积相和新构造运动的控制，使含水层在水平方向上及不同深度的分布形态、发育程度以及水文地质特征有所差异。区内含水层是多层叠置，几何形态复杂，多种成因类型的含水地质体。其中第四系上更新统含水层厚度最大，分布最广，供水意义较大。其次第四系中更新统含水层厚度也较大，在山前和隆起区分布较广，埋藏较浅，有一定的供水意义。

地下水补给、径流、排泄条件

地下水的补给、径流主要受气候、地貌、水文地质条件和人为活动的控制河套平原是一个地处干旱气候带的引黄灌区，地形平缓，含水层颗粒细，降水稀少，蒸发强烈，引黄量大。这些因素对地下水的形成和运动有深刻的影响。

①地下水的补给条件。在地下水的形成条件上，具有区域性的主要补给因素是引黄的入渗补给，其次为降水入渗补给。除蒸发蒸腾外，大量引黄水入渗补给浅层地下水，形成地下水的主要补给来源。

②地下水的径流条件。河套平原地形平缓，含水层颗粒细，水力坡度小，地下水径流条件较差，地下水主要靠垂向入渗补给，以垂直蒸发消耗。因此地下水的运动以垂直交替为主要特征。

③地下水的排泄条件。河套平原在地形及地质构造上均为一个封闭的盆地，地下水无水平排泄出路。区域地下水流向自西南向北东和自西向东，地下水排向扇前洼地和乌梁素海，构成地表水和地下水的局部排泄带。在天然状态下，区内无统一排泄带，唯一的排泄途径是蒸发消耗，因而使河套灌区具有以垂直交替为主的地下水运动规律。

近年来，随着河套灌区排水系统的建设，对排泄地下水发挥了重要作用。区内目前地下水开采水平较低，仅限于解决人、畜用水和部分工业用水。在总排干沟以北、三湖河和一干灌域，近年发展了部分井灌，地下水开采量在逐年增加。

地下水动态特征

灌区地下水动态受气象因素和引黄灌溉的影响，表现出明显的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2.03～2.64 m，丰水期水位埋深在0.93～1.20 m，多年平均水位埋深在1.65～1.71 m，多年平均水位变幅在1.01～1.49 m。

地下水化学条件

河套平原的地质构造及水文地质条件，决定了灌区咸水分布较广，加之后期的改造作用，使区内地下水水质分布变的更为复杂。

①咸淡水分布规律。咸淡水在水平方向上往往有渐变和突变两种形式，一般以渐变为主，自咸水带向淡水带，矿化度降低，水化学类型也有相应变化。高矿化盐卤水向淡水由于递变迅速，过渡带很窄，常以突变形式过渡。

②地下水化学的基本特征。由于地下水的溶滤作用、混合作用、浓缩作用以及与周围介质的离子交换等多种水化学作用，随着径流条件变差，地下水矿化度逐渐增高，水化学类型由低矿化的HCO3型渐变为高矿化的CL•SO4或CL型水，表现了盐份分带以堆积为主，尤以灌区下游表现明显，干旱气候带沉降盆地的典型离子CL和Na富集，而以CL-Na型或其淡化型水广泛分布。

（3）工程地质条件

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。

4、社会经济状况

河套灌区是巴彦淖尔市经济社会发展的核心区域，共涉及9个旗县区和19个国营农牧场，其中巴彦淖尔市有7个旗县区，即磴口县、杭锦后旗、临河区、五原县、乌拉特前旗、乌拉特中旗、乌拉特后旗。共有108个乡镇、农场、站，另外，还包括伊克昭盟的1个乡，阿拉善盟的1个农场。灌区内现有总人口177.023万人，其中：农业人口117.53万人。按农业人口计，人均灌溉面积7.3亩。

河套灌区是国家及内蒙古自治区重要的商品粮基地之一，是巴彦淖尔市农业经济的支柱，农业生产以农作物种植业为主。种植业中以粮食为主，经济作物占有重要地位。粮食主要有小麦、玉米、糜黍、豆类等，经济作物以葵花、番茄、甜菜为主，另外还有黑瓜籽、瓜果、枸杞、啤酒花等。由于气温影响，农作物种植一作有余，二作不足，复种指数很小，套种比例较大为32%。河套灌区种植业比较发达，农副产品丰富，具有发展畜牧业的优势。河套灌区的灌溉农业是巴彦淖尔市国民经济赖以发展的基础，随着农业的发展，交通、电力、机械、食品加工等行业得到相应发展。包兰铁路、京藏高速公路及110国道横贯河套平原，市内公路遍及城乡，四通八达，形成了以临河区为中心向各旗县和乡镇辐射的交通网络。灌区东部乌拉特前旗有装机20万千瓦的火力发电厂，是呼包电网的组成部分，已并入西北电网。灌区内电网纵横，乡镇都已通电。随着灌区农业生产的不断发展壮大，农业生产条件有了明显改善。现在灌区的工业、农业、交通、通讯、城市建设等方面都有较大的发展，临河区是巴彦淖尔市行政公署所在地，也是全市政治、经济、文化、交通的中心。

5、灌区渠道防渗工程现状

通过实施大型灌区续建配套与节水改造项目建设，截至2009年，已累计完成杨家河、义和、永济、长济、东风分干渠等19条支渠以上骨干渠道防渗衬砌长度约145km。

（二） 河套灌区衬砌工程采取防冻胀措施的必要性

1、地区特点决定了灌区渠道衬砌工程必须采取防冻胀设计

⑴气候特点

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分之间，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。

⑵土质特点

据内蒙古水文地质大队勘探资料，河套灌区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（粒径小于0.05mm）含量都在65%以上，属于强冻胀性土质。

⑶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条件。

上述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冻胀区域。

2、试验研究证实了河套灌区渠道衬砌工程必须采取防冻胀设计

为了揭示河套灌区区域性冻胀规律，探讨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了长期系统的试验观测和研究工作。

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条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15～17cm。

②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试验与示范研究"，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、西济支渠的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，阴坡最大冻胀量为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，渠底最大冻胀量达到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。这些试验段经过几个冻融周期冻胀和融沉交替，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，平均每厘米厚保温板（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道上阴、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用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。

（三） 河套灌区节水改造工程渠道防渗防冻胀措施应用情况

1、河套灌区渠道防渗结构形式

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、河套灌区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作为保温材料，它具有自重轻，强度高，吸水性能低，隔热性能好，运输、施工方便且削减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胀要求。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。

3、河套灌区渠道防渗防冻胀技术措施应用

（1）聚苯乙烯保温板在衬砌渠道防冻胀中的应用

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35km，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8.8km，2000年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4.0km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9.45km，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20.63km，斗渠多为东西走向，设计流量在 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。

聚苯乙烯板材料性能和保温机理

聚苯乙烯板材性能

聚苯乙烯（EPS）是由聚苯乙烯聚合物为原料加入发泡添加剂聚合而成，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、化学稳定性强、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。

聚苯乙烯板保温机理

一般渠道，基土冻结并能产生冻胀需具备的基本因素为：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。因此只要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变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胀的方向发展变化。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。

聚苯乙烯保温板在衬砌渠道防冻胀中的应用

内蒙古自治区自1999年开展大型灌区节水改造工程建设以来，已完成一大批骨干渠道衬砌和渠系建筑物配套工程建设，提高了灌溉水的利用效率和效益、渠道输水能力和灌区行水安全，取得了显著的经济效益、社会效益和生态效益。针对内蒙古大型灌区属于季节性冻土地区，渠道冻胀破坏严重的实际，近10年来已在八个大型灌区的415km骨干渠道上推广使用聚苯乙烯保温板35万立方米，大大提高了渠道的使用寿命，达到了"防渗、抗冻、经济、可行"的目的。

聚苯乙烯保温板应用效果评价

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的作用，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。适宜的板厚与渠道走向、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，基土不出现负温；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。随着板厚增加，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、下部分别为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部位有关。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，不利于水分迁移，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。东西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。

（2）换填风积砂在衬砌渠道防冻胀中的应用

风积砂特性

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，河套灌区试用了在内蒙古分布较广的风积砂，进行了室内、模拟渠道和现场应用三种试验，均比较理想。风积砂属于岩石风化产物，受风力搬运、堆积而成。其特点是颗粒均匀，粉粘粒含量极微，渗透性能好，对防止冻胀是较为有利的。

换填设计处理

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水位。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59m。8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。

换填风积砂效果评价

①风积砂属弱冻胀性土壤，是一种较好的防冻材料。实测换填层内冻胀率在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在冻结过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风积砂的防冻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颗粒愈多其冻胀性愈小，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，因而不宜大于此数。

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、地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%，渠底采用100%。

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。

4、几点体会

⑴ 据调查了解，聚苯乙烯保温板在水中长期使用过程中，可能存在导温系数增大、保温能力降低的不利因素。因此，如果条件许可，也可在灌区渠道衬砌工程中选用聚氨脂保温板，一是材料使用寿命延长，二是材料保温性能好。

⑵ 据有关资料，聚苯乙烯保温板厚度达到10cm以上后，需对防渗衬砌渠道进行抗浮稳定计算。

⑶ 支、斗渠级渠道，如冻胀量较小，宜采用灌区常采用的弧形渠底衬砌结构。换填风积砂可考虑只换填渠道两侧20～30cm，渠道底部可不考虑换填。

⑷ 对不同走向、位置、水文地质条件的渠道要有针对性的设计保温板厚度及铺设方法。

⑸ 对地下渠道进行保温设计时，应考虑地下水的测渗压力和浮托力对渠道边坡保温板的作用，以免保温板和砼预制板被浮起，破坏边坡稳定性。