渠道防渗防冻胀技术应用讲座

在我国北方寒冷地区，由于负温的作用，已建的渠道衬砌与防渗工程都不同程度遭受到冻胀破坏，不仅影响了工程的正常运行，增加了工程管理维修的难度和费用，也影响了防渗效果，有的甚至完全失去了防渗的作用。其主要原因是没有充分认识渠基土的冻胀规律，多数渠道衬砌与防渗工程规划设计时，没有充分考虑负温作用下基土特有的物理力学性质以及渠道冬季运行的特点。因此，在新建或改建渠道衬砌与防渗工程设计时，必须根据工程所在地的具体情况，采取必要的冻害防治措施，减轻或避免冻害破坏，提高其抗冻胀性能，延长工程的使用寿命，充分发挥渠道衬砌与防渗工程的效益。

一、我国渠道防渗防冻胀技术发展概况

1.1渠道防渗防冻胀技术发展情况

灌溉渠道是灌区工程的主要组成部分，是把灌溉水输送调配到田间的不可缺少的工程设施，具有渠线长、占地多、工程量大、管护维修任务重的特点，在灌区新建和续建配套技术改造中占有十分重要的地位。渠道防渗衬砌工程投资约占目前各地灌区续建配套技术改造总投资的2/3左右。据不完全统计，自1998年实施大型灌区续建配套节水改造以来，累计衬砌大型灌区干、支渠道达0.53万千米，配套改造建筑物约3.8万座，与田间工程等其他节水综合措施配套，年节水约为110亿立方米，节水效果显著。目前，我国灌溉渠道总长约300万千米，其中80%为土质渠道，土渠输水的渗漏惊人，约占水量的一半。已防渗衬砌的渠道只有1/5左右。大量宝贵的灌溉水源在输水过程中渗漏损失，十分可惜。采用渠道防渗、衬砌技术措施，可以大幅度提高渠系水的利用系数。如陕西省宝鸡峡灌区总干渠，采用混凝土防渗衬砌措施后，每年减少渗漏水量约为2.4亿～2.9亿立方米。内蒙古河套灌区，渠系水利用系数现为0.42，以年引黄河水量52亿立方米计，大约有近30亿立方米的水在渠道输水过程中渗漏损失掉，不仅如此，还导致地下水位抬高，土壤盐碱化程度加重。该灌区续建配套与节水改造规划，拟采用渠道防渗衬砌和田间节水等综合措施，预计项目完成后，可使渠系水利用系数提高到0.66，综合节水效果约为12亿立方米，同时还能控制灌区土壤盐碱化的发展。再如河北省石津灌区，已完成181条共490千米的斗渠以上渠道防渗衬砌，实测数据显示，防渗后比防渗前减少渗漏损失53%～80%，如果按照该《灌区改造规划》实施，渠道防渗衬砌后的渠系水利用系数将由原来的0.424提高到0.72左右，节省出来的水量，可用于石家庄市城市生活、工业以及改善环境用水。推广渠道防渗、衬砌技术，不仅可以减少水的渗漏损失，还可以提高渠道输水能力，缩短输水时间，提高灌溉效率，起到防冲、减淤、防坍塌、稳定渠床，以及保证输水安全等作用。对于西北内陆荒漠戈壁上纵坡和流速很大的渠道、黄河下游淤积严重的渠道、高填方易坍塌的渠道、地质条件复杂的傍山渠道，以及提高灌区现代化水平需要衬砌防渗的渠道等，都有着十分重要的作用和意义。

我国渠道衬砌与防渗常用混凝土、石料、膜料、沥青混凝土、土料和水泥土等材料作为防渗层，以达到防渗的目的。随着国民经济的发展，防渗技术不断提高，防渗新材料的应用，使我国渠道衬砌与防渗技术得到较快的发展，近年来将高分子材料应用在渠道防渗方面，尤其是高分子复合材料和复合结构研究方面取得了大量成果，成为今后研究和推广的方向。采用膜料做防渗材料，一般可减少渗漏量的90%以上，且塑膜埋入地下后避免了紫外线和光的照射，大大延缓了老化速度，延长了使用寿命，一般使用可达20～30年左右。目前得到普遍推广应用的高分子聚合物防渗材料——复合土工膜，即将PVC压延涂敷于无纺布上，制成复合防渗膜料，有一布一膜、二布一膜等。渠道衬砌与防渗断面形式方面，我国采用的有U形、弧形渠底梯形和弧形坡脚梯形等新形式，这些断面形式具有防渗效果好、水流条件佳、占地少、适应冻胀变形的能力强、投资较小、寿命长等优点。U形适宜于小型渠道，弧形渠底梯形适宜于中型渠道，弧形坡脚梯形适宜于地下水位埋深浅的大、中型渠道。在防治冻害技术方面，我国经多年研究和实践，采用"允许一定冻胀位移量"的设计标准，提出了"适应削减冻胀"的防冻害原则和技术措施，大大降低了工程造价。在施工方面，已研制开发了小型U形渠槽开挖机和浇筑机，大、中型U形渠道防渗工程施工采用喷射法混凝土施工或预制与现浇相结合的方法，但一般仍以人工施工为主，施工机械化程度较低。

在渠道防冻胀技术措施方面，国外发达国家近年来采用"抵抗"冻胀的技术措施，提高防渗材料强度，增设填换层等。我国经过多年的研究实践，提出了"允许一定冻胀位移量"的设计标准，采用"适应削减冻胀"的防冻害原则和技术措施，大大降低了工程造价。在渠道防渗施工技术方面, 国外发达国家以机械化施工为主，我国目前仍以人工施工为主，与国外差距较大，但已逐渐向半机械化和机械化施工方向发展。小型U形混凝土衬砌渠道，研制推广了系列的渠道开槽机械和混凝土浇筑机械，使U形渠道得到了大面积推广应用。

1.2防冻胀结构形式

1.2.1混凝土U形防渗渠道

混凝土U形防渗渠道是采用底部为半圆或弧形，上部为一定倾角的直线段的断面形式，目前在我国中、小型渠道上大量推广应用。其具有防渗效果显著，比梯形渠道湿周短、流速快、裂缝少，因而输水损失小，小型U形混凝土渠道的渠道水利用系数可达0.97～0.98，并且渠道水流条件好、流速快、输水输沙能力强，不易产生淤积现象。混凝土砌体下部为反拱，整体性好、抗外力和抗冻胀性能好，渠道占地少、投资小，一般占地面积仅为梯形渠道的1/2～1/4，比梯形渠道省料25%～30%。便于管理，混凝土U形渠道不易淤积，且整修堤岸、补修裂缝等维护工作量大大减少，一般较混凝土梯形渠道节省管理用工60%～70%。在大型输水渠道上，近年来我国推广应用了弧形底梯形、弧形坡脚梯形断面渠道，取得了较好的防渗抗冻胀效果，但施工技术和施工机械尚不完善。

1.2.2复合材料防渗结构形式

实践证明，采用单一的防渗材料很难达到理想的防渗抗冻效果和耐久性。近年来随着防渗膜料的发展，采用了复合材料防渗的结构形式，即采用柔性膜料作为防渗层，主要起防渗作用。在膜料防渗层上，再用混凝土等刚性材料或土料作保护层，保护膜料不被外力所破坏，防止老化，延长工程寿命。两种材料互相扬长避短，显示了明显的经济技术性能，是目前渠道防渗发展的趋势。具有防渗效果好，其渗漏量是现浇混凝土防渗的1/5，是预制混凝土板防渗的1/7。施工工期短、造价低。混凝土板和膜料均可进行工厂化生产，对旧渠改建工程，在停水期施工，工期短，不影响行水。混凝土保护层可以由防渗用的10～14cm减薄至4～8cm，从而降低了工程造价。抗冻胀性能好，膜料防渗层可以保温，且防渗漏性能好，降低了渠基土的水分，从而减轻冻胀破坏。

1.3防渗、防冻胀新材料与新技术

（1）聚苯乙烯保温板防冻胀

聚苯乙烯泡沫板由可发性聚苯乙烯颗粒为原料，经加热预发泡，在模具中加热成型而制成的具有微细闭孔结构的泡沫塑料板材。具有重量轻、导热系数低、吸水率很小、化学性能稳定、抗老化性能高、耐久性好、自立性好、施工中易于搬运等优点，缺点是耐热性低，主要用于建筑墙体，起到保温隔热的作用。保温板提高基土地温显著。由于保温板保温隔热作用，可有效缓解基土与外界的热交换速度，使地基土在冻结过程中温度降低缓解，保温板愈厚表现愈明显。据试验数据统计，保温板平均每厘米厚可提高地基土温度在1摄氏度左右。保温板可明显减小基土冻结深度。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，平均每厘米厚保温板对冻深减少10cm左右。

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新分布的能力较弱，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，从而减少了地基土的冻胀量。保温板对基土冻胀有明显的抑制作用。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。近年来，该项技术已在内蒙古大型灌区骨干渠道大面积推广应用，衬砌骨干渠道267千米，聚苯乙烯保温板的使用量达到22.3万立方米。提高了骨干渠道的使用寿命，达到了"防渗、抗冻、经济、可行"的目的。

（2）膜料防渗

20世纪80年代以来，高分子材料生产和应用得到飞速发展，目前已有多种类型土工合成材料可用于渠道防渗。塑料薄膜防渗性能效果好、质量轻、便于运输安装，并可适应渠床的各种变形，但存在易被外力破坏、容易老化等缺点。新疆一些灌区多年来一直推广塑料薄膜防渗技术。为了克服塑料薄膜易被刺破的缺点，许多灌区在柔性的膜料防渗层上面铺现浇或预制混凝土板、预制U形渠槽、浆砌石或干砌石等刚性保护材料，这种复合材料结构形式,代表了渠道防渗衬砌的发展方向。复合土工膜。它由防渗的塑料薄膜和土工织物组合而成,既可防止膜被刺破,又提高了接触面的摩擦系数。塑膜可用PVC或PE原料,土工织物由各种长丝、短丝合成纤维,经纤维成网、纤维固着、整理加工等工序加工而成。复合土工膜可根据需要复合成一布一膜、二布一膜、三布两膜等结构，目前在大型水利水电工程中已广泛应用。随着高分子材料工业的发展，复合土工膜的价格将会逐步降低，有可能更广泛地应用于渠道防渗中。

（3）土工合成材料膨润土垫

它是在两层土工合成材料（土工织物或土工膜）之间夹封细小的膨润土颗粒，通过针刺、缝合或粘合而成的一种新型防渗土工复合材料，具有防渗性能好、抗冻融循环能力强等优点，国外有用于渠道防渗试验的工程实例，近年来国内已在垃圾填埋场底防渗处理中应用，能否在渠道防渗中应用有待进一步试验研究。

（4）土壤固化剂

土壤固化剂是固结土壤的新型材料，它与土壤发生化学作用，改变土壤结构等性质，形成具有一定承载能力、抗渗能力和耐久性的固化土。它与水泥不同，固结对象是土壤而不是砂石料，可就地加固土壤，在工程结构中起到水泥的效用，能够节省大量的砂石料和运输费用。国外在道路、土木建筑、环境保护和水利等工程建设的基础部位有应用的实例。20世纪90年代以来，国内有关单位引进消化吸收国外土壤固化剂及其技术，研制开发出国产的产品, 在一些水利工程中试用。如北京玉渊潭公园湖底清淤工程, 如采用现浇混凝土或预制混凝土板铺砌, 施工噪声大、砂石运输量大、工序较多、工期较长，与公园旅游有矛盾。采用土壤固化剂处理湖底，克服了上述矛盾。又如作为北京市市容景观的昆玉河道整治，为防止观光游船搅翻河底淤泥，河水变浑，影响水面景观，采用土壤固化剂固化河床，也取得了较好效果。少数灌区用土壤固化剂进行小型渠道防渗衬砌试验，发现施工工艺上渠道边坡难以碾压是个问题。黑龙江省水科院选取了5种型号固化剂，进行抗压、抗渗、抗冻等性能室内试验。抗压强度一般可达1兆帕，最高达10兆帕，但抗冻性能差，他们认为在高寒地区目前不宜大面积推广应用。目前用土壤固化剂进行渠道防渗的工程造价，与混凝土衬砌相比，还不具有太大的竞争力。总的来说，尚不具备大范围推广的条件。

（5）聚合物纤维混凝土

近10多年来，聚合物纤维混凝土已在公路、铁路、桥梁以及房建工程中应用。它具有防止或减少混凝土裂缝、提高变形能力和耐久性等优点，近年来在一些灌区渠道防渗工程中也开始试用。广西达开水库灌区总干渠填方渠段，采用聚合物纤维混凝土进行防渗衬砌试验，观测表明，抗拉强度提高13%～27%，弹性模量降低4%～5%，极限拉伸值提高18%～34%，混凝土抗变形能力和抗渗能力有明显提高，防止或减少混凝土裂缝。其施工方法与普通混凝土基本相同，仅增加约l分钟左右的拌和时间。聚合物纤维混凝土衬砌渠道，厚度可较普通混凝土衬砌减薄2 cm，节省的工程投资与增加的聚合物纤维费用大体相当。黑龙江香磨山灌区在斗渠上采用改性聚丙烯纤维混凝土，制作上口宽40cm的薄壁U形渠槽，纤维掺量为1千克每立方米，混凝土的抗裂和抗折性能有所提高，U形渠槽厚度减至2cm，重量轻、更便于施工安装。接缝也用改性聚丙烯纤维混凝土进行勾缝处理，不易产生干缩裂缝，有适应冻胀变形的效果，经观测，槽体无冻胀破坏现象。河北石津灌区也进行过聚丙烯纤维混凝土室内试验和现场应用，混凝土掺入0.9千克每立方米聚丙烯纤维，抗裂能力提高100%～150%，抗渗能力提高60%，抗冲刷能力提高50%～100%，3～28天龄期抗压强度提高15%～30%。施工方法与普通混凝土大体相同，切忌拆破纤维包装，造成纤维飞扬，污染环境。

（6）新型伸缩缝止水材料。

在渠道衬砌与防渗工程中，发达国家对伸缩缝止水材料较为重视，且投资所占比例较大。美国多用弹性人造橡胶、聚氯乙烯止水带作伸缩缝止水材料。日本则多采用止水板（即橡胶止水带）、沥青、沥青玛蹄脂及弹性玛蹄脂或密封胶。我国以往在止水材料方面投资较少，刚性材料衬砌渠道多用沥青砂浆、油毡、聚氯乙烯胶泥（或焦油塑料胶泥）等作伸缩缝止水材料，但有的性能差，有的造价较高和施工技术复杂，没有较好地解决生产中的问题。聚氯乙烯胶泥（或焦油塑料胶泥）中含有煤焦油，对灌溉水和环境都有污染。随着人们对环保要求的不断提高，这种材料被淘汰已是大势所趋。近年来，研究开发的高分子止水带、止水管和石油沥青聚氨脂接缝材料（PTN）等新型伸缩缝止水材料，止水性能好，施工方便，有待进一步实践和推广。

（7）纳米改性防渗材料

1）纳米改性混凝土防渗材料

混凝土防渗是目前广泛采用的一种渠道防渗技术措施，它具有防渗效果好，一般能减少渗漏损失的90%～95%以上，糙率小（n = 0.014～0.017），允许流速大，一般为3～5米每秒，缩小渠道断面，减少工程量和占地面积，强度高，耐久性好，便于管理和适应性广泛等优点，但其抗冻性能较差。国内外建筑业已开始利用纳米材料改进混凝土和钢筋混凝土的性能研究，并应用于高速公路路面及路缘石施工中，结果表明可显著提高混凝的耐久性，抗冻性提高20倍。在渠道防渗方面。我国已开始在不显著提高成本情况下利用纳米材料改进混凝土防渗抗冻性能的研究。

2）纳米改性复合土工膜

土工膜是一种薄型、连续、柔软的防渗材料，具有防渗性能好，适应变形能力强，施工方便，工期短和造价低等优点，但是土工膜较薄，在施工、运行期易被刺穿，使得防渗能力大大降低，同时其抗冻性能差。利用纳米材料对普通塑料进行改性，生产的新型复合土工膜兼有无机、有机的特点。纳米改性复合土工膜的厚度约为普通聚乙烯土工膜的3/4～2/3，可大幅度降低工程造价，其强度和抗穿刺性能明显提高，扩大了土工膜的应用范围。

1.4渠道防渗工程经济分析和质量监管

1998年至今，通过国债资金、农业综合开发、地方财政补助、农民自筹资金等多种途径，用于渠道防渗衬砌的投资，估算累计达200多亿元。每公里防渗衬砌渠道投资，从小型渠道的几千元到上万元，中型渠道的几万元到几十万元，大型渠道约需上百万元甚至几百万元。渠道防渗衬砌是造价成本较高的永久性基础设施建设，为了加强农业抗御自然灾害的能力，改善农业生产条件，为农业结构调整和农业现代化提供物质保障，国家今后仍将会继续重视和支持灌区续建配套节水改造，还会有大量资金用于渠道工程中。如何使国家和农民有限的资金用在刀刃上，取得最佳效益，使投入产出关系合理，工程造价适中，质量可靠，使用年限长，是当前需要引起高度重视的重大课题。要尽快建立评价渠道防渗衬砌必要性、可行性和效益的方法、指标体系及量化标准，建立渠道防渗衬砌质量和使用维护状况的监测网络。

当前渠道防渗衬砌工程建设的质量监督控制机制很不健全，一些业主单位片面追求降低工程造价，忽视可靠性和使用寿命。有些设计施工技术人员对有关技术规范规程不熟悉，对国内外新技术、新材料发展动态不了解。国外一些灌区混凝土衬砌渠道使用年限长达四五十年，而我国不少灌区只有二三十年，甚至十几年。