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
四、渠道防渗防冻胀技术应用模式
通过对我国北方季节性冻土地区渠道防渗防冻胀技术应用情况的调查分析表明，渠道防渗防冻胀技术应用比较广泛的措施主要有置换、保温、排水以及采用适应冻胀变形的断面形式等。另外，在渠道防渗工程冻胀破坏严重的地区，采用单一的防渗材料和防冻胀结构形式一般很难达到理想的防冻胀目的，因此，在灌区续建配套与节水改造工程建设中，许多灌区根据渠道所在地的土壤质地及气象水文特点，因地制宜，采用两种或两种以上防渗材料及防冻胀复合结构形式，起到了很好的防渗防冻胀效果。
4.1 置换措施应用模式
置换措施是在冻结深度内将渠道防渗衬砌板下的冻胀性土换成非冻胀性土的一种方法，置换材料宜采用砂砾石或中粗砂。级配良好且纯净的砂砾石或中粗砂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，所以能有效地减少冻胀，防止冻害现象的发生。混凝土衬砌板+置换材料防渗防冻胀结构形式，该结构形式是灌区续建配套与节水改造中应用最普遍的防冻胀技术措施。当冻结深度较大时，为完成消除冻胀影响，需要全部置换冻结深度内的冻胀性土，因此，工程量较大，一般不经济。在灌区节水改造中，新疆、内蒙等地采用戈壁料和风积沙作为置换材料，不仅起到了很好的防冻胀作用，而且降低了工程投资。
混凝土衬砌板+置换材料防渗防冻胀结构形式
该渠道防渗防冻胀结构形式适用于季节性冻土地区、渠基土为冻胀性土、地下水位较低、附近有砂砾石或中粗砂等非冻胀性土的大中型渠道。置换措施应用时要注意，当置换层有被淤塞危险时，应在置换体迎水面铺设土工膜或土工织物保护；若置换层有可能饱水冻结时，应保证冻结期置换体有排水出路，即需要设置排水措施。
4.2 保温措施应用模式
保温措施是在渠道衬砌体下铺设隔热保温层，阻隔大气与渠基土的热量交换，提高衬砌体下基土温度，消减或消除冻胀，防止发生冻害。灌区续建配套与节水改造中，采用保温措施防冻胀已得到大量应用，如新疆、甘肃、内蒙、黑龙江等省（区）的灌区采用聚苯乙烯泡沫板（简称聚苯板）保温防冻胀，取得了良好的防冻胀效果。聚苯板具有吸水性小、强度高、耐腐蚀和抗老化等优点，根据试验资料，1cm厚的泡沫塑料保温层相当于14cm厚填土的保温效果，具有良好保温效果。
混凝土衬砌板+砂浆过渡层+聚苯板防渗防冻胀结构形式
聚苯板价格较高，因此，该结构形式适用于在采用其他防冻胀办法不经济时或遇到—些特殊地段，如在冻深较大，缺少砂石地区或地下水浅埋地区的大中型渠道。保温措施应用时要注意，多数保温材料的保温效果随着潮湿及吸水率的增大而降低，特别是当地下水位较高时，由于地下水的长期浸泡会使其导热系数增加，进而降低保温效果，因此，一般应与塑料薄膜或复合土工膜配合适用，防渗防冻胀效果更好。
4.3 排水措施应用模式
当地下水位高于渠底，或地下水位虽不很高，但渠基土透水性差，渠道的渗漏水和浸入渠基的雨水不能很快渗入基层深处时，应根据渠道所处的地形和水文地质条件，按不同情况设置排水设施，以达到排泄畅通、地基疏干、冻结层无水源补给的目的。灌区续建配套与节水改造工程建设中，采用排水措施防冻胀技术也得到广泛应用， 许多灌区结合渠道的具体特点，采取了形式多样的排水措施，取得了很好的防冻胀效果。
新疆金河沟引水干渠采用竖向排水井连通置换垫层和深层砂砾层的排水系统，起到了良好的排水防冻胀效果。该渠道所处地方地下水位深，渠床土质为壤土，厚度5～7.5m，以下为埋藏很厚的砂砾层，衬砌体下铺设了20～50cm厚的砂砾垫层，每25m渠段设一道竖井与土层下面的砂砾层连通。竖井断面为矩形，长1.2～1.8m，宽1.1～1.9m，内填粗砾石和卵石。经运行，排水效果很好。但这种型式适应于地下水位较深，并且在渠底不深处具备砂砾石地层的条件。
新疆金河沟引水干渠竖向排水设施
甘肃景电灌区总干渠4#隧洞出口至独一农间渠道采用排水盲沟+排水花管的排水系统，起到了良好的排水防冻胀效果。该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。灌区在节水改造工程中，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。采用以上排水措施后，渠道内再无地下水出露，彻底解决了渠道的冻胀问题。
甘肃景电灌区总干渠排水设施
4.4适应冻胀变形断面形式应用模式
适应冻胀变形的断面形式主要有U形断面、弧形坡脚梯形断面或弧形渠底梯形断面等，这些断面形式在灌区续建配套与节水改造工程中都得到广泛应用。
U形断面一般适用于小型渠道，弧形渠底梯形断面适用于中型渠道，弧形坡脚梯形断面适用于大型渠道。适应冻胀变形的断面形式应用时应注意，对于冻胀量不大的填方渠道可单独适用，在冻胀量较大时，弧形坡脚梯形断面和弧形渠底梯形断面一般应与其他防冻胀措施配合适用，才能起到更好的防冻胀效果。
4.5 复合防渗防冻胀技术应用模式
采用单一的防渗材料和防冻胀结构形式，一般很难达到理想的防渗防冻胀效果，下面是几种在灌区节水改造中应用比较成功的渠道防渗防冻胀复合结构形式。
（1）渠道边坡混凝土衬砌+渠底柔性结构防护
衬砌渠道边坡的结构形式是在进行渠道衬砌防渗时，渠道边坡采用混凝土衬砌，渠道底部采用非刚性材料防护的方法。这种结构形式适用于大中型渠道，在应用时应分以下两种情况：
①地下水位高于渠底时。渠道边坡宜采用混凝土板+置换材料，渠底采用透水材料防护。这种情况时不宜采用混凝土衬砌+膜料全断面防渗，防冻胀也不宜采用聚苯板保温措施。新疆北屯灌区三干渠防渗防冻胀形式，渠道边坡采用现浇混凝土板+戈壁料垫层，渠底采用雷诺护垫填充砾石。这种结构形式具有防冻胀、渠底防冲、排水等作用，渠低适应冻胀变形能力强，一般适用于季节性冻土地区、地下水位较高、渠道纵坡较大的大中型渠道。
新疆北屯灌区三干渠防渗防冻胀结构形式
②地下水位低于渠底时。渠道边坡宜采用混凝土板+膜料+置换材料，或混凝土板+膜料+聚苯板，渠底采用膜料防渗，土料保护层防护。内蒙古河套灌区永济干渠防渗防冻胀形式，渠道边坡采用预制混凝土板+膜料+聚苯板，渠底采用膜料+土料保护层。这种结构形式防渗、防冻胀效果好，投资较少，一般适用于季节性冻土地区、地下水位较低、渠道纵坡较小、宽浅式的大中型渠道。
内蒙古河套灌区永济干渠防渗防冻胀结构形式
（2）弧底梯形预制混凝土板+膜料防渗结构
弧底梯形是一种能够适应冻胀变形的渠道断面形式，渠道弧底一般采用现浇混凝土，其适用于渠基冻胀变形较小的中小渠道防渗防冻胀。但是，有的灌区所处地区冬季寒冷，不宜施工，春、夏、秋季渠道停水时间很短，不能满足现浇混凝土衬砌渠道的时间要求，使其推广应用受到很大限制。内蒙古河套灌区采用弧底梯形预制混凝土板+膜料防渗结构形式，其全断面均采用预制混凝土板，实施结果表明，这种衬砌结构形式具有很好的防渗防冻胀效果，又克服了现浇混凝土渠底需要时间较长的缺点。
内蒙古河套灌区预制混凝土弧底梯形衬砌结构形式
（3）膨润土防水毯+土料保护层
膨润土防水毯+土料保护层渠道防渗防冻胀结构形式适用于冻胀破坏比较严重的地区、渠道纵坡较小的大中型渠道。这种结构形式防渗防冻胀效果好，投资较少，一般比混凝土板+膜料+聚苯板结构形式投资可以降低约30%。内蒙古河套灌区永刚分干渠防渗防冻胀结构形式，其采用膨润土防水毯防渗、塑性固化土作为保护层的结构形式，具有很好的防渗防冻胀效果。
内蒙古河套灌区永刚分干渠防渗防冻胀结构形式