第四期：不同类型区典型工程渠道防渗防冻胀技术应用模式及效果评价
三、不同类型区典型工程渠道防渗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：
（1）西北地区
西北地区包括陕西省、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，约占全国总耕地面积的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，除陕西为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较严重。
（2）东北地区
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％；总耕地面积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，夏季温暖而短暂，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，降水量自 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，中部则盛产高粱、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。
（3）华北地区
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；西邻青藏高原，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％。华北地区属亚热带和中温带的过渡带，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，年最低气温多出现在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。该区大部分地方年蒸发量为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。渠道防渗工程在该区也存在一定的冻胀破坏。
（4）其他地区
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道防渗防冻胀措施及效果评价
3.2.1西北地区
3.2.1.1新疆兵团北屯灌区
（1）灌区概况
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度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，气温日较差大，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；水面最大结冰厚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，在我国境内长为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，但灌区气候、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。
北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冻胀破坏，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工程正式启动，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；针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）；针对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）防渗防冻胀技术措施
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。
1）北屯灌区总干渠
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：第一段（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，结构设计为塑膜单防渠道，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。
①暗管棱体排水法
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、浇筑砼板。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。
②置换法（换土法）
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。在渠道部分渠段中有泥岩出露，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，解决的方法就是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。
2）北屯灌区三干渠
三干渠修建于1959年，全长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。
①雷诺护垫的应用
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地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
雷诺护垫
②间隔梁法
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，被人为的分割成多个小单元块，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。后在北屯灌区的二干、三干渠中得以广泛推广运用。
③排水涵管的应用
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，将排渠内的积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冻胀问题。
（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用，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可以延长2-3倍。
防渗衬砌后的北屯灌区总干渠（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因冻胀所引起的破坏，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，确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
（1）灌区概况
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，年平均蒸发量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，由东南向西北倾斜。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‰。中部细土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部，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），阶地类型也变为侵蚀堆积阶地。 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，受区域构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），地下水类型为上部潜水，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。
②防渗防冻胀措施
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厚的浆砌石砌筑，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
该渠段位于呼图壁河东岸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。
②防渗防冻胀措施
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
呼图壁河灌区渠道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。
3.2.1.3新疆三屯河灌区
（1）灌区概况
三屯河灌区位于新疆天山北麓中段，准噶尔盆地南缘，地理位置界于东经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，沙漠区多年平均气温为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，北部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水工程一座，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区，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论证，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上，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，要从抵抗冻胀角度出发，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分的挖方渠段，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考虑。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渠道断面形式的选择。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立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，对防止渠道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
1）西干渠0+000～1+225、1+450～5+075段渠道改造工程
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，现浇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
1+450～5+075改造渠道横断面图
改造后的渠道
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，影响了渠道的正常运行，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：一是由于渠道纵坡较大，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，部分边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，降低了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，改造段原过水能力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，沿口边墙放线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厚的土层，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，填筑干容重不得小于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，原混凝土板可作为新浇筑混凝土的基底面。
渠道断面图
渠段渠堤冻涨改造图
改造后的渠道
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立方米每秒，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或粉质粘土，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的土体挖出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，填筑干密度大于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，再在渠床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。
渠道断面图
（4）渠道防渗防冻胀技术应用效果
三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较轻，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。
3.2.1.4甘肃景电灌区
（1）灌区概况
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、风沙多，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，总体规划、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年开工建设，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 立方米每秒，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%，灌区有效灌溉面积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。现状斗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胀措施，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，输水时间长，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寿命。
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，总干渠设计断面分"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；"石基渠道"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。防冻胀措施因各种因素，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，渠道的安全运行受到威胁。
（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、无地下水区分；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、砂浆垫层、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，混凝土预制板的厚度为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，为了抵抗渠道的冻胀，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，土壤地质条件复杂，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造中，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）进行分析。
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，渠道原设计断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。由于水流冲刷、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，并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，并开挖清理渠床软化、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别为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问题，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
2）西干八支渠
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，预制混凝土板衬砌，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立方米每秒，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、滑塌破坏严重，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改造方案。
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结构，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，安全运行得到了保障。
（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胀措施，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。其效果主要表现在如下几方面：
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对强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地下水位，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，可以减轻施工的难度，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对于原现浇混凝土衬砌、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渗防冻胀措施，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。
3.2.1.5甘肃友联灌区
（1）灌区概况
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摄氏度，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，多年平均蒸发量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。灌区地表径流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。含水层自南东向北西变浅。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，地势自南东向北西倾斜，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。防冻胀技术措施主要有置换措施、保温措施、适应措施、优化结构等。
①置换措施
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较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，除特殊地质条件外，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。
②保温措施
负温是渠道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变形，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。
③适应措施
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。方法有预制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。
④优化结构
友联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中，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，渠口宽度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,阳坡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，置换措施虽然应用最广泛，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相对较高。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。 采用砼异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观测杆、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。在冬季分别对渠道冻胀变形、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，观测结果表明采用聚苯乙烯保温板防冻胀效果非常明显。
3.2.2东北地区
3.2.2.1黑龙江音河灌区
（1）灌区概况
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，耕地面积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，严寒少雪；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，年平均蒸发量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，土层结构及透水性好，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年也列入国家投资计划，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。防渗措施基本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变。
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。这种措施减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，运行效果很好。
渠道断面图
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，上垫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。
渠道断面图
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。
渠道断面图
2）用水支渠防渗措施
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（两布一膜，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。
支渠断面图
（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，要考虑渠段自然水文、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，渠道边坡受坡水侧向水压力顶托，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，要考虑渠内无水或水位较低时，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，只采用预制混凝土板护砌，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，含气量控制在3.5%～4.1%。
（4）效益评估
1）灌溉效益
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，使有限的土地发挥最大效益，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全部实施后，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：原灌区灌溉增产效益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。
2）社会效益
音河灌区续建配套与节水改造不仅有可观的经济效益，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，符合"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，农业和农村经济的可持续发展有了保证。
3.2.2.2 黑龙江引汤灌区
（1）灌区概况
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，设计灌溉面积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气候，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，多年平均冻土深度为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。灌区地处低山丘陵与冲积平原的交汇区，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，除沟谷外地下水位较深，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桩号段为花岗岩外，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、北干渠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而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为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
1）引汤总干渠
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米均为含壤土的细砾层，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，板下依次是砂垫层和复合土工膜，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，边坡复合土工膜为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道，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。
引汤总干渠断面图
引汤总干渠照片
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，渠道需要进行防渗处理；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，渠底采用复合土工膜上铺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设有排水体。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固脚延伸到渠道内，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，所以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。由于挖深大，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生，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
3）伏胜干渠
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，故无须考虑防冻胀措施，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砂垫层和复合土工膜，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固脚。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。
伏胜干渠断面图
伏胜干渠照片
（4）效益分析及效果评价
灌区自实施渠道防渗工程以来，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4449万立方米。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，共节省土地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复合结构形式，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。
3.2.2.3黑龙江江东灌区
（1）灌区概况
江东灌区位于嫩江左岸，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。灌区总土地面积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，干、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。现浇混凝土板之间及齿墙之间充填三毡。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土工膜作为防渗材料，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，不够此规格的板放在护坡最下端，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土齿墙固脚，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
江东灌区六干渠照片
根据该区土质情况，渠坡复合土工膜采用单位面积400克每平方米，膜厚0.3mm，0.5兆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，施工中要求洒水整平，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与节水改造项目，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。防渗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、沉陷等现象发生。
3.2.2.4黑龙江悦来灌区
（1）灌区概况
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，极端最低气温为-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）渠道防渗防冻胀技术应用
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。但现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，渠道整形夯实后铺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3m。2006年秋季施工到现在运行保持良好，没有发现冻胀现象。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。在2008年秋季施工到现在，状况也是较好，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
（1）灌区概况
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，设计灌溉面积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，分布连续，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工膜防渗，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。
青山总干渠横断面图
（3）渠道防渗防冻胀技术应用效果
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）合理选用混凝土防护板形式
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。对于填方渠道、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、或冻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。同时，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至断裂。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，达到渠道防渗放冻胀的效果，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预制混凝土板衬砌。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，每天四个工地可生产标号为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。
2）坡脚与齿墙的连接
为了防止坡脚混凝土预制板下滑，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，并与齿墙连接一体。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，这种施工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合土工膜防渗，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厚回填土，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。
3.2.3华北地区
3.2.3.1内蒙古河套灌区
（1）灌区概况
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，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之一。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，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、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。
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2.03～2.64m，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，多年平均水位变幅在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、长济、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）河套灌区所属区域的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。 ② 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＜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条件。
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冻胀区域。
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了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，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。
（3）渠道防渗防冻胀技术应用
1）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）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。
（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4.0千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，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
① 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。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
| 项目 | 密度（千克每立方米） | 导热系数W/（m·k） | 吸水率（体积）（%） | 尺寸稳定性（%） | 压缩强度（相对变形）（kpa） | 弯曲变形（ mm） |
| 采用的测试值 | 20 | 0.035 | 2.1 | 4 | 240 | 25 |
| 规范指标 | ≥15 | ≤0.041 | ≤6 | ≤4 | ≥60 | ≥20 |
②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。
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。
换填风积沙在渠道衬砌防冻胀中的应用
1）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，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。这次试验采用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。
经取风积砂料试验，其颗粒组成和物理指标。从表可见，颗粒中以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
| 颗粒组成 （%） | 土的分类 | 比重 | 干密度(克每立方厘米) | 孔隙比 | 孔隙率(%) | 不均匀系数 | 曲率系数 | 毛细管水上升高度(cm) | ||||
| 2.0～0.5mm | 0.5～0.25mm | 0.25～0.10mm | 0.10～0.05mm | 0.05～0.005mm | ||||||||
| 1 | 33.1 | 39.8 | 19.8 | 6.3 | 极细砂 | 2.67 | 1.5 | 0.77 | 43.4 | 2.68 | 1.25 | 41.4 |
2）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。换填设计处理，处理T11、T12横断面。
风积砂换填设计处理
| 类别 | 地点 | 处理 | 换填厚度（cm） | 下卧土层 | 地下水位（cm） | 试验段长度（cm） | 渠道走向 | ||
| 阳坡 | 渠底 | 阴坡 | |||||||
| 模拟试验 | 二渠 | T12 | 40 | 40 | 40 | 粉质壤土 | 140～40 | 3 | SW45度 |
| T13 | 70 | 70 | 70 | 粉质壤土 | 140～40 | 3 | SW45度 | ||
| T8 | 140 | 140 | 140 | 粉质壤土 | 140～40 | 3.5 | SW45度 | ||
| 三渠 | T12 | 60 | 60 | 60 | 粉质壤土 | 60 | 3 | SW45度 | |
| T13 | 90 | 90 | 90 | 粉质壤土 | 60 | 3 | SW45度 | ||
| T8 | 140 | 140 | 140 | 粉质壤土 | 60 | 3.5 | SW45度 | ||
| 应用试验 | 马架梁渠道 | T10 | 50～70 | 0 | 60～80 | 粉质粘土 | -80 | 20 | NE40度 |
| T11 | 80～100 | 0 | 90～110 | 粉质粘土 | -80 | 20 | NE40度 | ||
| 合计 | 8 | 59 | |||||||
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）
3）效果分析
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%。 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。
土壤固化剂在渠道衬砌防冻胀中的应用
1）渠道设计
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。
梯形断面结构形式图
2） 土壤固化剂的原理及技术指标
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。
①原理
固化剂属于水化类固化剂，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入土壤，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。
②技术指标
技术指标：土壤固化剂固化剂技术指标见表
土壤固化剂技术指标
| 序号 | 检测项目 | 技术指标 | 检测标准 |
| 1 | 渗透系数(厘米每秒) | ＜6×10-8 | 标准试块在室内自然条件下养护28天 |
| 2 | 干密度（克每立方米） | 1.75～1.86 | |
| 3 | 抗压强度（兆帕） | 7.15～12.17 | |
| 4 | 初凝(小时) | 6 | |
| 5 | 终凝(小时) | 16 |
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）
③ 应用效果分析
a、固化土衬砌渠道可预制或现浇。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已清好的地基表面，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道，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匀，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
1） 渠道设计
公安斗渠右四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）膨润防水毯原理及技术指标
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。
膨润土防水毯（GCL）是一种新型的土工合成材料。它是将级配后的膨润土颗粒均匀混合后，经特殊的针刺工艺及设备，把高膨胀性的膨润土颗粒均匀牢固地固定在两层土工布之间，而制成柔性膨润土防水毯材料，既具有土工材料的全部特性，又具有优异的防水防渗性能，它能在拉伸、局部下陷、干湿循环和冻融循环等情况下，保持极低的透水性，同时还具有施工简易、成本低、节省工期等优点。
技术指标：膨润土防水毯技术指标见表
膨润土防水毯技术指标
| 序号 | 检测项目 | 技术指标 | 检测标准 |
| 1 | 膨胀系数（ml/2g） | ≥24 | ASTM-D5890 |
| 2 | 含水量（%） | ≤12 | ASTM-D4643 |
| 3 | 流体损耗（ml） | ≤18 | ASTM-D5891 |
| 4 | 抗拉强度（N） | ≥400 | ASTM-D4632 |
| 5 | 剥离强度（N） | ≥75 | ASTM-D4632 |
| 6 | 单位面积膨润土质量（克每平方米） | ＞500 | |
| 7 | 渗透性（厘米每秒） | ＜5×10-9 | ASTM-D50874 |
| 8 | 指示流量（立方米每平方米.秒） | ＜5×10-8 | ASTM-D5887 |
永刚分干渠膨润土防水毯
农渠膨润土防水毯衬砌施工与灌溉运行（2007年）
3） 应用效果分析
①防渗效果：在试验条件下，田间渠道采用膨润土防水毯衬砌，平均渗漏强度为11.54（升每平方米.时）,与未衬砌渠道平均渗漏强度21.9（升每平方米.时）相比较，每平方米1小时减渗漏损失10.36 升，即每平方米1小时可减少渗漏损失47.3%，则提高水的净利用率52.7%。 ②渗漏历时与渗漏强度关系：通过渗漏历时与渗漏强度的拟合曲线表明：衬砌前（土渠）随时间的增加渗漏强度呈幂函数减小趋势；衬砌后（膨润土防水毯衬砌）随时间的增加渗漏强度呈自然对数函数逐渐减小趋势。 ③在季节冻土地区，采用膨润土防水毯衬砌渠道，分干渠阴、阳坡最大冻深分别为98.5cm、44.0cm；农渠阴、阳破最大冻深分别为94.1cm和80cm，由由此可见分干渠阴阳坡冻深差异较大，而农渠阴阳坡冻深差异较小。 ④观测资料表明：阴坡分干渠和农渠最大冻胀量分别为13.4cm、5.8cm，阳破最大冻胀量分别为6.2cm和5.6cm，与以前年度无措施衬砌渠道平均最大冻胀量相比较，铺设膨润土防水毯渠道的边坡冻胀量并没有消减或消减较小，但是冻土融通后渠坡没有明显的残余变形量，复位很好，由此说明膨润土防水毯具有较好的柔性，适应变形的能力很强，整体性好。也说明膨润土处理可减小冻胀造成的不均匀性，增强渠道坡面的稳定性。 ⑤按右四农渠衬砌680m长度计算，采用膨润土防水毯衬砌造价为71582元，每延米长度衬砌价格为105.3元；采用预制混凝土板衬砌造价为100850元，每延米长度衬砌价格为148.3元。两者进行比较，膨润土防水毯衬砌是预制混凝土板衬砌造价的71.1%左右。说明采用膨润土防水毯与预制砼板保温防冻衬砌相比较分析，成本方面：减少了防渗膜、保温板与过渡层等材料及工序，可节约成本29.1%；工期方面：膨润土防水毯用于渠道防渗具有施工简单，表现在地基要求低，施工速度快，与采用混凝土板衬砌相比，工期短，可大大减少施工时间，工期缩短30%~50%以上。
（5）渠道防渗防冻胀技术应用的体会和经验
1998年，首次进行永刚分干渠试验性衬砌，采用外地经验采用宽浅式无防冻措施进行衬砌，出现了较严重的淤积和冻胀破坏。从1999年的节水改造项目开始，设计时，管理部门先提出不同段落和不同灌溉条件的运行指标调整方案，再由设计单位、建设单位和管理单位共同确定断面、流速、纵坡、糙率等主要水力要素，优化设计指标；针对灌区所处的特殊地理位置、气候、地质和工程条件，根据阴阳面温差，经试验研究，在设计中采取不同厚度的保温板保温，以防止衬砌工程冻胀破坏；对部分渠段地下渠、半地下渠产生的扬压力，则采取了相应的排水措施，均取得了较好效果。同时，在杨家河干渠进行了23种不同结构形式的试验，为抗冻胀设计和结构设计及最优性价比提供了科学依据。通过大量实践，有以下一些体会和经验。
① 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，在灌区渠道衬砌工程中，如果条件许可，可采用聚氨脂保温板，一来材料使用寿命延长，二来材料保温性能好。② 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。 ③ 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。 ④ 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。 ⑤ 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。 ⑥ 灌区骨干渠道防渗衬砌还宜采用实用于灌区的结构形式如现浇钢筋砼等形式。在中小型渠道上还可考虑土壤固化剂等防渗材料。
杨家和干渠未采取保温措施的试验段冻胀破坏情况
杨家和干渠未采取保温措施的试验段冻胀破坏情况
杨家和干渠采取保温措施的试验段
杨家和干渠采取保温措施的试验段
3.2.3.2河北石津灌区
（1）灌区概况
石津灌区位于地理位置处在北纬37度30分～38度18分和东经114度19分～116度30分，位于滹沱河与滏阳河之间，地貌类型可分为山麓平原、倾斜平原和冲积平原三个较大的地貌单元。灌区属温带大陆性季风气候区，多年平均降水量为507.2mm，年最大冻土深47cm。气象条件适宜冬小麦、玉米、棉花等多种农作物及苹果、梨、桃等果树生长。 灌区的水源工程为滹沱河上的岗南水库和黄壁庄水库，按照《河北省石津灌区续建配套与节水改造规划报告》，设计渠灌面积200万亩，支渠以上（含支渠）骨干渠道总长度1442千米；通过多年的建设，特别是1997年以来的灌区续建配套项目与节水改造项目的实施，共完成支渠以上骨干渠道混凝土防渗221.8千米，灌区工程条件和农业生产条件得到了很大程度的改善。
（2）渠道防渗防冻胀技术应用
近几年灌区在渠道防渗防冻胀措施应用方面，在满足规范设计要求的前提下，推广使用了聚乙烯闭孔泡沫塑料板、806树脂油膏、聚苯乙烯泡沫保温板、土工膜、丹强丝（K.V Fiber抗裂合成纤维）等新型填缝、保温、抗渗、抗裂材料。
① 聚乙烯闭孔泡沫塑料板
近年实施的续建配套项目中，在总干渠险工段、军干渠等渠道混凝土衬砌工程中均使用聚乙烯闭孔泡沫塑料板作为混凝土防渗板接缝材料。该材料具有密度小、回复率高、具有独立的气泡结构；表面吸水率低，防渗透性能好；耐老化性能优良；低温不脆裂，高温不流淌等特点；同时该材料可按断面形状裁剪或粘结，施工非常方便。为提高板缝的抗渗能力，可在接缝混凝土板下部铺设油毡条。
②聚苯乙烯泡沫保温板
考虑到混凝土板防冻胀的需要，灌区先后在军干渠、四干渠等渠道防渗工程中使用聚苯乙烯泡沫保温板，保温防冻胀效果良好。聚苯乙烯泡沫保温板的主要技术指标一般控制在：热导系数≤0.4W/(m.K),密度≥20千克每立方米。保温板厚度根据冻土深度并结合渠道走向等因素确定。
③复合防渗土工膜
复合防渗土工膜为土工织物与土工膜复合而成的不透水材料，分为一布一膜和两布一膜，宽幅4~6m，重量为200~1500克每平方米，防渗效果好，抗拉、抗撕裂、抗顶破等物理力学性能指标高；同时土工膜防渗也可减少水的渗漏，从而大大缓解混凝土板下土体的冻胀力。
④806树脂油膏填缝材料
与传统的沥青油膏相比, 新型防水油膏——806树脂油膏具有韧性好，粘结力强,低温不易裂等特点,且使用寿命长,施工简单。自1997年灌区续建配套工程使用以来，806树脂油膏已经在灌区得到了全面推广应用，止水效果良好。
⑤丹强丝（K.V Fiber抗裂合成纤维）
丹强丝（K.V Fiber抗裂合成纤维）是一种新型高分子建筑材料，施工时，可根据配比直接将整袋纤维投入搅拌机，适当延长搅拌时间即可，对混凝土骨料、外加剂、掺合剂、水泥都不会有任何影响，对搅拌设备也没有特别的要求；主要作用是应用于各类混凝土/砂浆制品，能够显著提高制品的抗裂、抗渗、抗冲磨、耐冻融等功效。灌区在一干五分干混凝土防渗工程中选取了部分渠段布置丹强丝纤维混凝土试验段。
⑥聚硫密封胶
双组份聚硫密封胶适用于长期浸水建筑接缝密封，与混凝士粘接性能好，具有耐老化性、耐久性、气密性和防水性以及良好的粘接性，是防水止渗不可缺少的密封材料。
（3）典型渠道（渠段）防渗防冻胀技术措施及效果
1）混凝土+保温板+闭孔泡沫塑料板伸缩缝
此种结构形式的典型渠道为军干渠。军齐南干渠进水闸位于石津总干渠101+805处，基本沿着辛集市与深州市的交界自北向南延伸，控制行政区域为辛集市、深州市、冀州市的部分地区以及衡水桃城区，干渠全长29.32千米，耕地面积69.31万亩，设计灌溉面积49.13万亩。是灌区的一条重要输水渠道，土质以粉砂壤质和轻壤质土为主，在近几年的续建配套工程中已完成军干渠混凝土防渗17.24 千米，衬砌结构形式采用混凝土+保温板+闭孔泡沫塑料板伸缩缝的方式，渠道主要技术指标为：设计流量35.2 立方米每秒，设计渠底宽度14.5m，边坡1:2，衬砌高度2.30m，护肩宽0.30m，护肩厚0.10m，衬砌厚度0.1m；衬砌混凝土强度等级C20、抗冻等级F150、抗渗等级W6；混凝土板下铺垫聚苯乙烯保温板（密度≥20千克每 立方米），板厚3cm。沿渠道每4m设横向伸缩缝，纵向伸缩缝共设4条。渠底设2条，沿坡脚设2条；缝中填充闭孔泡沫塑料，接缝混凝土板下部铺设300mm宽的油毡条。军干渠混凝土防渗工程实景图及横断面结构见下图。
军干渠混凝土防渗工程实景图
军干渠混凝土防渗工程横断面结构图
通过运行观测，渠道衬砌效果整体较好，防冻胀效果较为理想，渠道混凝土板无明显裂缝；少量闭孔泡沫伸缩缝出现闭孔泡沫塑料板与混凝土结合不紧密现象，可能影响缝止水效果，但尚未进行定量观测。
2）混凝土+保温板+土工膜+闭孔泡沫塑料板伸缩缝+聚硫密封胶
此种结构形式为灌区衬砌渠道中目前采用的最高标准，典型渠道为总干渠田庄段。该渠段位于石家庄市区，铁路枢纽货运系统及石太高速公路均跨越该渠段。渠道土质为壤土，主要技术指标为：设计流量115立方米每秒，设计底宽28m，边坡1:2，混凝土衬砌厚度0.1m，强度等级C20、抗冻等级F150、抗渗等级W6，衬砌高度4.0m，混凝土板下铺垫密度不小于30千克每立方米聚苯乙烯保温板进行防冻，板厚6cm，保温板下铺设两布一膜防渗土工膜（密度1000克每平方米）。伸缩缝采用闭孔泡沫塑料，缝顶部用聚硫密封胶封堵。总干渠田庄段混凝土防渗工程实景图及横断面结构见下图。
总干渠田庄段混凝土防渗工程实景图
总干渠田庄段混凝土防渗横断面结构图
此工程完工不久，尚未经灌溉运行，聚硫密封胶的使用从完成效果看，与混凝土结合密实，应具有良好的止水效果。
3）混凝土+保温板+土工膜+树脂油膏伸缩缝
此种结构形式在四干二分干、四干三分干等渠道防渗工程中均有应用，以四干二分干（20+068-22+124）段为例，该渠段土质以壤土为主，主要技术指标为：设计流量5.5立方米每秒，混凝土强度等级C20、抗冻等级F50、抗渗等级W6；渠道底宽3.0m，衬砌高度为1.85m，渠深2.2m，纵坡1/5000，内边坡1:2，混凝土衬砌厚度0.1m，堤顶宽度2.0m。混凝土板下铺设聚苯乙烯保温板（密度≥20千克每立方米），板厚3cm,保温板下铺设两布一膜防渗土工膜(860克每平方米)。伸缩缝的填料为下部3.0cm厚水泥砂浆，中部4.0cm厚树脂油膏，上部填筑3.0cm厚水泥砂浆。四干二分干渠混凝土防渗工程实景图及横断面结构见下图。
四干二分干渠混凝土防渗工程实景图
四干二分干渠混凝土防渗横断面结构图
经运行后观测，渠道混凝土板外观均匀密实，渠坡无明显裂缝；树脂油膏伸缩缝未见开裂处防渗效果较好。
4）混凝土+丹强丝（K.V Fiber抗裂合成纤维）+树脂油膏伸缩缝
灌区于2002年在一干五分干（9+882—10+082）渠段防渗设计中，采用了混凝土+丹强丝（K.V Fiber抗裂合成纤维）+树脂油膏伸缩缝的方式。丹强丝混凝土护砌段长200m，分别为8cm厚丹强丝混凝土护砌段，和6cm厚丹强丝混凝土护砌，两段相邻，各长100m。该渠段设计流量4.27立方米每秒，混凝土护砌底宽2.0m，衬砌高度为1.45m，渠深1.60m，纵坡1/3000，内边坡1:1.5，混凝土衬砌厚度0.08（0.06）m，堤顶宽度2.0m；混凝土强度等级C15、抗冻等级F50、抗渗等级W4；沿渠道每4m设横向伸缩缝，缝中填充树脂油膏及砂浆，坡脚设2条纵向伸缩缝。详见一干五分干"丹强丝"试验段设计图。
经过8年的运行，目前，6cm厚混凝土板外观均匀密实，仅有4%的混凝土板有约30cm长细微裂缝，较细，无贯穿；8cm厚混凝土板外观均匀密实，仅有2%的混凝土板有细微裂缝，无贯穿。树脂油膏伸缩缝未见开裂防渗效果较好。
一干五分干渠混凝土防渗工程实景图（6cm厚）
一干五分干渠混凝土防渗工程实景图（8cm厚）
3.2.3.3山东簸箕李灌区
（1） 灌区概况
簸箕李灌区位于山东省北部，黄河下游左岸，黄河三角洲腹地。南起黄河，北以漳卫新河为界，与河北省海兴县隔河相望，东与白龙湾、小开河灌区相邻，西与济南、德州市接壤；地理坐标为东经117度14分～117度58分，北纬37度07分～38度14分，南北长130公里，东西平均宽17公里，总面积2243平方公里。灌区涉及惠民、阳信、无棣三县，24个乡镇，总人口102.8万人。灌区属于华北半干旱季风气候区，冬春干旱多风，夏季炎热多雨，年平均气温12摄氏度，一月份气温最低，平均-4摄氏度，七月份最高，平均26摄氏度，历史最高气温41摄氏度。历史最大风速35.5米每秒，最大风力8～9级。降雨量年内分配不均，年际变化较大，灌区内多年（1952~2008年系列）平均降雨量561毫米，其中汛期444毫米，占全年降雨量的79.14%，年最大降雨量1112.4毫米（1964年），年最小降雨量为258.5毫米（2002年），年平均日照时数2250小时，年平均蒸发量1195.1毫米，无霜期215天，年平均干旱240天。由于年降雨分配不均匀和春季强烈蒸发形成"春旱、夏涝、晚秋又旱"的特点。
簸箕李灌区近几年来围绕建设"节水型、生态型、科技型、服务型、效益型"五型灌区的目标，抓住国家对大型灌区实施续建配套与节水改造的机遇，大力实施节水改造，取得了显著成效。自2005年被列为国家第二批大型灌区节水改造项目以来，累计完成干级渠道衬砌18.5公里、改造配套建筑物65座、渠道绿化35公里等。目前灌区内干渠4条总长度159.7公里，已防渗33.82公里，防渗率21%；支渠134条，总长997.5公里，尚未衬砌。灌区节水改造工程的实施运用，实现了节水增效，减少了渠道淤积，改善了灌区生态环境。
（2）渠道防渗防冻胀技术应用
1）总干渠上游段
总干渠上游段总长35千米，衬砌10千米，防渗率28%，完好率90%。断面形式为梯形，防渗方式是全断面防渗、边坡衬砌。渠坡采用预制混凝土板下铺复合土工膜，规格为一布一膜，布200克每平方米，膜厚0.2mm。渠底为塑膜防渗，薄膜厚度0.2mm，设在渠底以下0.6m。该渠段于2006、2007年秋冬季衬砌，至今运行稳定良好。
2）总干渠下游段
总干渠下游段总长14.9千米，衬砌14.9千米，防渗率100%。断面形式为梯形，防渗方式是全断面防渗、边坡衬砌。渠坡采用预制混凝土板下铺塑膜，渠底为塑膜防渗。该渠段于1990年衬砌，渠坡稳定，然而渠底塑膜损坏较为严重。
3）一干渠
一干渠总长42.7千米，衬砌0.4千米，防渗率1%。断面形式为梯形，防渗方式是半断面衬砌，渠坡采用预制混凝土板下铺复合土工布（一布一膜）。该段渠道于2005年衬砌，至今运行稳定良好。
4）二干渠
二干渠总长66千米，衬砌8.2千米，防渗率12%，完好率95%。断面形式为梯形，防渗方式是半断面衬砌，渠坡采用预制混凝土板下铺土工布（一布）。该段渠道于2008、2009年衬砌，总体运行稳定良好，仅局部渠段出现变形隆起冻胀破坏及坍塌等现象。
（3）典型渠道（渠段）防渗防冻胀技术措施
1）总干渠上游段防渗工程
灌区属于华北暖湿半干旱季风性气候区，冬季寒冷而漫长，一月份平均气温-4摄氏度，极端最低气温为-22摄氏度，最大冻土深0.54m。地质条件为： 总干渠上游段土质较差，为沙土。防渗工程全长9.1千米，设计流量70立方米每秒。断面形式为梯形，底宽34.0m、渠底比降1/7000、衬砌高度2.86m，边坡1:2。防渗方式是全断面防渗、边坡衬砌。渠坡采用预制混凝土板下铺复合土工膜，规格为一布一膜，布200克每平方米，膜厚0.2mm。为满足砼板适应冻胀变化，且方便施工，经计算确定标准砼板尺寸为58×38×6cm，错缝半板27×38×6cm。砼板标号采用C20、W8、F100。渠底采用塑料薄膜防渗，塑膜厚度0.2mm,设在渠底以下0.6m。齿墙：为保证边坡护板稳定，且防止坡脚冲刷，在渠底坡脚处设齿墙，顶宽40cm，底宽60cm，深60cm，其中顶部为现浇C15砼齿墙冒厚度15cm，其他为M10浆砌片石。结构缝及伸缩缝：为避免因温度应变引起砌体破坏，纵横向均设伸缩缝，顺渠向每隔12.4m设一道横向伸缩缝，，顺坡向在渠坡1/3渠深处设一道纵向伸缩缝，伸缩缝宽度为4cm，下部充填4×4cm 的预制塑料胶泥，顶部用低标号水泥砂浆塞实抹平，达到防老化之目的；板间结构缝宽度4cm， C20细石砼填充，提浆抹平。封顶板：为防止雨水冲刷渠道内坡，在护坡顶部现浇60cm×15cm的C15砼封顶板。齿墙及封顶板顺渠向每12.4m设一道伸缩缝，缝宽度为2cm，以2cm厚沥青杉板填充。
渠道衬砌至今3年，整体运行状况良好，仅局部渠段出现变形隆起冻胀破坏现象。
2）二干渠防渗工程
二干渠土质较差，为沙壤土，地下水位较高（10.5m左右）。防渗工程全长8.2千米，分两段：第一段4+093～8+193，设计流量40立方米每秒；第二段23+119～27+247，设计流量35立方米每秒。采用半断面砼预制板衬砌（两坡），坡面砼板下铺设土工布。主要设计指标：底宽17.0m、渠底比降1/7000、衬砌高度2.80m，边坡1:2。为满足砼板适应冻胀变化，且方便施工，结合灌区已建工程经验确定标准砼板平面尺寸为58×38cm，错缝半板27×38cm，下部异型板平面尺寸为58×58cm。砼板厚度80mm。砼板标号采用C20、W8、F100。
由于该地区地下水位较高，基本接近设计水位，渠道渗漏量较小，故不进行防渗处理，但是该渠段土质较差，为方便施工预制板下铺设300克每平方米的土工布。抗侧渗处理：边坡第二、三、四行间隔布置无砂砼预制板，无砂砼预制板下设砂石反滤层以利排水。齿墙：为保证边坡稳定，防止坡脚冲刷，渠底脚设C15现浇砼齿墙，宽40cm，深60cm。结构缝及伸缩缝：为避免因温度应变引起砌体破坏，顺渠向每隔9.92m设一道横向伸缩缝，伸缩缝宽度为4cm，下部充填4×6cm 的塑料胶泥条，顶部用M5水泥砂浆塞实抹平，达到防老化之目的；板间结构缝宽度4cm，C20细石砼填充。封顶板：为防止雨水冲刷渠道内坡，在护坡顶部现浇60cm×20cm的C15砼封顶板。齿墙及封顶板顺渠向每9.92m设一道伸缩缝，缝宽度为2cm，以2cm厚沥青杉板填充。渠段首尾边坡处，分别设有C15砼刺墙（40cm×60cm）一道。
（4）防渗防冻胀技术措施应用体会
①在设计上，渠道的边坡不宜过陡，应考虑渠基自身的稳定和施工的要求。该灌区典型渠道边坡均为1:2；混凝土的强度、抗渗、抗冻要满足要求，该灌区采用混凝土强度等级C20，抗冻等级F100，抗渗等级W8。 ②防渗结构采取混凝土板和防渗膜组合结构能有效的防渗和抗冲，即板下铺设土工膜。混凝土板厚根据渠道大小确定，总干渠60mm，二干渠80mm，防渗膜用素膜（总干渠下游段）或复合土工膜（总干渠上游段），厚度0.2mm。不进行防渗处理的渠段如二干渠采用板下铺设土工布。 ③砂石反滤层排水消除冻胀破坏。在地下水位较高的渠段，如二干渠，遇到渠道边坡和渠底大量渗水的情况，导致铺设塑膜后，渗水因塑膜阻碍而无导渗出路，这时塑膜和混凝土板将受到较大的渗透压力，导致边板和底板被顶起，成为废板。针对此问题解决的方法是：边坡第二、三、四行间隔布置无砂砼预制板，无砂砼预制板下设砂石反滤层以利排水。 ④施工时要保证施工质量，填方渠道土方质量是防渗工程的基础，也是防冻害的主要环节之一，渠基土要充分压实，垫层要铺均匀，塑料薄膜的接缝要牢固可靠，混凝土要震捣密实，填缝材料要饱满。 ⑤完善渠道运行管理制度，做好渠道日常养护、安全检查和维修工作，及时清除渠道中杂草、蚁穴、鼠洞等阻碍物，建立经常检查、定期检查和特别检查的检查制度，按照经常养护、随时维修、养重于修、修重于抢的原则，使渠道得到及时维修，保证使用。对产生冻胀破坏的渠段要及时维修，以免破坏现象蔓延。 ⑥冬季需要引水运行时，尽量使渠道满渠运行并设法使渠道中不结冰，这样可防止渠道冻胀。 ⑦在渠旁两侧设8～10m林带，可起生物排水作用，对降低地下水位、防治渠道冻害十分有利。总干渠下游段就是一个很好的例子。