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淺談U型渠道地基防凍脹的技術(shù)措施

文檔作者：沈偉王鋒文檔來源：千陽縣水利局		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年12月09日
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摘要
關(guān)鍵詞
淺談u型渠道地基防凍脹的技術(shù)措施
沈偉王鋒
(千陽縣水利局 陜西 千陽 721100)
在北方干旱缺水地區(qū)，混凝土U型渠道以較佳的水力斷面、利于輸水輸沙、占地少、省工省料、便
于管理等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田水利，頗受歡迎。但U型渠道的地基凍脹問題在現(xiàn)實中較為普
遍。作者結(jié)合混凝土U型渠道各類型的凍脹分析，總結(jié)了渠道凍脹的特點及具體形式，根據(jù)成因
提出了科學(xué)的防凍脹措施，值得設(shè)計、施工單位借鑒和運用推廣。
渠道；地基凍脹；防治；措施
中圖分類號：TV91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C
1U型渠道在千陽縣農(nóng)田水利中的
應(yīng)用情況
在灌區(qū)水利工程建設(shè)中，u型渠道因具
有較佳的水力斷面、利于輸水輸沙、占地少、
省工省料、便于管理等優(yōu)點，應(yīng)用較為廣泛。
從2O世紀(jì)8O年代起，在千陽縣灌區(qū)建設(shè)中，
利用農(nóng)田基建、以工代賑、農(nóng)資補貼、小水電
代燃料等項目普遍推廣了混凝土u型渠道襯
砌工程。據(jù)統(tǒng)計，目前，全縣8個鄉(xiāng)鎮(zhèn)各大灌
區(qū)中共建成u型渠道1260km。按斷面規(guī)格劃
分，直徑30cm的渠占85％，直徑40era的渠占
10％，直徑40cm以上的渠占5％。按四級渠道
類別劃分，斗、農(nóng)渠達(dá)96％。其流量在
0．05m3／s～0．2 m3／s， 斷面圓弧半徑多為
0．15m一0．3m。由于千陽縣地處渭北旱塬丘陵
溝壑地段，屬大陸季風(fēng)區(qū)，冬季氣溫低，1月
最冷，年極端氣溫一19．9℃ ，平均無霜期197
天，最長233天，最短156天，平均風(fēng)速
24m／s，歷年結(jié)冰期為11月至次年2月，約
120天。土壤最大凍結(jié)深度為40em～50cm，
渠床凍脹常給渠道工程帶來相當(dāng)嚴(yán)重的破
壞，既消耗了勞力，又造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
因U型渠凍脹問題，全縣范圍內(nèi)的渠道均出
現(xiàn)了不同程度的破壞。據(jù)2013年元月調(diào)查統(tǒng)
計，全縣斷面30cm的U型渠因凍脹破壞共
26km，斷面40em 的U型渠凍脹破壞8km，斷
面40cm以j二的u型渠凍脹破壞3．2km。凍脹
破壞后，大部分渠道帶病運行，滲漏較嚴(yán)重，既
浪費了有限的水資源，又造成了渠底土壤水分
加大，致使凍脹頻率加劇。有的渠道因多次反
復(fù)凍脹，造成渠段裂縫、變形、直至無法正常運
行。U型渠道自推廣應(yīng)用以來，在縣域農(nóng)業(yè)生
料應(yīng)盡可能詳實、準(zhǔn)確、可靠，必要時應(yīng)作試
驗和論證。灌區(qū)低壓管道輸水灌溉系統(tǒng)規(guī)劃
設(shè)計所需的基礎(chǔ)資料包括：灌區(qū)地貌、農(nóng)業(yè)氣
象、水庫典型年的逐月逐旬流量，水庫庫容曲
線，設(shè)計年的洪水流量過程線、土壤及土壤特
性，土地利用現(xiàn)狀，水利工程設(shè)施狀況，社會
經(jīng)濟(jì)情況等。
3．2供需水量平衡分析
首先，對水庫水質(zhì)進(jìn)行分析，從輸水管道
防淤角度考慮，不容許粒徑大干0．15mm的泥
沙進(jìn)入管道，泥沙含量不得大于lOkg／m 。供水
量的計算要根據(jù)規(guī)劃區(qū)的供水資料進(jìn)行頻率
計算，選擇與灌溉設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的年份為代
表年。灌溉用水量要依據(jù)作物需水量及作物
系數(shù)及各級輸水損失和田間損失來計算。最
后進(jìn)行水量平衡分析，來規(guī)劃管道輸水控制
面積，確定作物種植結(jié)構(gòu)及其種植比例，為合
理開發(fā)利用水資源提供依據(jù)。確保在同一灌
溉年內(nèi)的供水量與需水量平衡。
33管道系統(tǒng)的布置
管道系統(tǒng)布置應(yīng)結(jié)合原有渠系及灌水方
向，有利于工程分期實施，避免再次平整土地
而耗財耗力。干渠布置保持原有狀況，采用明
渠輸水以減少工程投資。斗渠垂直于干渠以
保證輸水壓力。分引渠平行于等高線，保證各
支管水頭穩(wěn)定。支管垂直于等高線以便于給
水栓分水，出水口位置、間距以按灌溉面積均
衡布置為原則，兼顧農(nóng)戶管理、使用方便，間
距要適宜。斗渠以下管線要平順，盡量減少拐
彎、起伏現(xiàn)象，力求使管線最短、控制面積最
大，從而減少水頭損失。田間管網(wǎng)應(yīng)盡量使管
道雙向控制，使單位面積管道用量最少，以減
少工程投資。同時，兼顧行政區(qū)劃、道路、林帶
等，密切結(jié)合，統(tǒng)籌兼顧。主要技術(shù)參數(shù)要達(dá)
到《低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》要求，
即管網(wǎng)水利用系數(shù)應(yīng)不低于0．95，灌溉水利用
系數(shù)在0．80以上。做至 灌水方法合理、灌水定
額適當(dāng)，做好灌溉節(jié)水和管理節(jié)水等綜合措
施。田塊整理實行小畦(溝)灌，同時，結(jié)合秸
稈還田、蓄水保墑、水肥耦合等措施，提高綜
合節(jié)水效果。
3．4管網(wǎng)水力設(shè)計
為了保證管網(wǎng)正常運行，不出現(xiàn)過大的
正壓和負(fù)壓，使各級管道能按要求分流，給水
栓按要求出流，要通過調(diào)整管徑，使管道內(nèi)各
處的壓力控制在預(yù)定的范圍內(nèi)。既要滿足供
水壓力需求，又要節(jié)約管材，做到安全經(jīng)濟(jì)。
南北兩個干渠作為兩個獨立的管網(wǎng)系統(tǒng)，采
取續(xù)灌的方式。為滿足抗旱要求，斗渠也按續(xù)
灌供水，斗渠以下各級管網(wǎng)按輪灌組供水。為
使水流穩(wěn)定，對必要的同級管道可在適當(dāng)位
置設(shè)置調(diào)壓塔來調(diào)節(jié)管內(nèi)水壓。為保證灌溉
秩序，每條支管只開一個給水栓。灌區(qū)斗渠及
其以下管道控制面積小，因此全部均采用
PVC管，斗渠管徑為400mm一500mm，分引渠
管徑為160mm ～200mm， 支管管徑為
120mm～160mm，根據(jù)各管段的設(shè)計流量，分
別計算出各段的水頭損失、管段末端的工作壓
力和各個分水口的_r作壓力，最后確定管道的
具體直徑。
3．5管道輸水系統(tǒng)的淤堵問題
段家峽水庫水源屬于渭河流域，干渠輸水
為明渠輸水，水質(zhì)渾濁且常帶有雜物，為防止
泥沙及雜物進(jìn)入管網(wǎng)，斗渠管道進(jìn)口高程要高
于干渠渠底高程，并且要設(shè)置攔污刪和沉淀
池，在進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計時，要計算管道臨界不淤
流速，選擇合理管徑，通過管路調(diào)節(jié)，保證管內(nèi)
流速不小于臨界不淤流速，從而有效的避免管
道於堵問題。
4結(jié)語
低壓管道輸水灌溉技術(shù)對緩解水資源
危機，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水利設(shè)施條件和農(nóng)業(yè)
生態(tài)環(huán)境，增加農(nóng)民收入具有十分重要的
作用。大力推廣應(yīng)用這項節(jié)水灌溉技術(shù)，可
為建設(shè)節(jié)水型社會和國家糧食安全提供有
力支撐和保障。陜西水利
(責(zé)任編輯：周蓓)
產(chǎn)過程中發(fā)揮了舉足輕重的作用，但因U
型渠道地基凍脹問題形成的重復(fù)建設(shè)的問
題亟待解決。
2U型渠道凍脹的類型及成因
分析
2．1渠道凍脹類型及特征
千陽縣u型渠水源多為庫水和泉水，
所建位置為溝道、坡面、路側(cè)、田間，如南
寨、張家塬、水溝3鎮(zhèn)，u型渠道因凍脹破
壞造成工程低效益運行和停用的現(xiàn)象較明
顯。特別是水溝鎮(zhèn)裕華村渠道，因施工時忽
視凍脹問題，造成30．4km渠道停用。從全
縣u型渠道凍脹破壞原因和程度來看，可
劃分為凍脹開裂復(fù)合型和凍脹隆起滑塌型
兩類。凍脹開裂復(fù)合型：基土凍脹后，出現(xiàn)
襯砌面開裂，裂痕處尚平整，裂縫兩邊襯砌
體不錯位，一般縫寬在lem以下，當(dāng)凍土消
融后，部分裂縫趨向閉合。凍脹隆起滑塌
型：一種是渠道坡腳處襯砌體受到破壞，上
部混凝土體凍松后向下滑塌；另一種是渠
道底部受水流沖刷，坡腳基礎(chǔ)內(nèi)傾，造成壁
部砌體下滑；第三種是受凍脹后，在重力作
用下呈臺階式不規(guī)則的散亂狀滑塌。
2．2渠道凍脹因素分析
上述凍脹類型，主要是由于基土凍脹
作用所致。渠道凍脹的一般現(xiàn)象：溝道和坡
面的多于路側(cè)和田間，挖方的多于填方，土
壤含水量多的多于干旱地段，陰坡多于陽
坡。凍脹過程中，由于基土形成水分遷移，
除基土含水量這個主要因素外，還與基土
凍脹強度有關(guān)，基土顆粒大小、土壤毛管力
的強弱也決定基土水分在凍結(jié)過程中的遷
移情況。因渠坡比渠底排水條件好，土壤含
水量小，渠坡距地下水位遠(yuǎn)，土壤凍結(jié)時，
地下水遷移補給量也小，或遷移水尚未達(dá)
到渠坡某層部位時已凍結(jié)，相反，渠底排水
條件差，原含水量大，凍脹問題則更為突
出。尤其是挖方渠底，大多處于地下水位以
下，土壤含水飽和，且在凍結(jié)時不缺乏地下
水遷移補給，因此，凍脹情況更為嚴(yán)重。所
以，渠道基土凍脹量由渠底到渠坡頂逐漸
減少。另外，土壤含水量在凍結(jié)前較高，也
與渠道行水季節(jié)和灌溉習(xí)慣有關(guān)，冬灌就
直接關(guān)系到渠道基土凍脹。土壤凍脹多于
渠道砌體凍脹破壞，渠道砌體凍脹破壞與
基土特征、氣溫以及基土含水量有直接關(guān)
系，不同程度的凍脹差異，主要是由于不同
基土層含水量、地溫的差異所致?；恋膬?
脹量沿渠道橫斷面呈不均勻分布，渠底凍
脹量大，坡面各部位的凍脹量是由坡腳到
坡頂逐漸減小，呈三角形分布。凍脹過程
中，渠底斷面線抬高，由坡腳到坡頂逐漸減
小，致使邊坡凍脹部分的直線距離縮短，導(dǎo)
致基土斷面發(fā)生變形。凍脹的基土斷面發(fā)
生變形后，混凝土體由于不能適應(yīng)這種變
形而發(fā)生錯位、隆起、直至形成破壞。另外，
由于地下水位高或襯砌質(zhì)量差，或冬季施
工，造成混凝土含水量大，渠道易破壞。凍
脹破壞往往是一個由輕到重的過程，先是
凍脹開裂，后是變位隆起至滑塌?；饕?
發(fā)生在春季消融階段，支渠凍脹破壞的部
位一般發(fā)生在渠底部，斗渠凍脹破壞的部
位一般發(fā)生在坡腳。凍脹破壞輕時，如不及
時維修，凍脹的部位就不能恢復(fù)原狀。當(dāng)進(jìn)
入冬季后，原來已凍脹隆起的基土?xí)^續(xù)
發(fā)生凍脹變形，這時凍脹隆起的土體內(nèi)就
會形成大量的冰夾層，變形的砌體也易受
到行水沖刷破壞，會進(jìn)一步加劇渠道的損
壞，縮短渠道的使用壽命。
3U型渠道防凍脹的幾種技術(shù)
措施
u型渠襯砌是很薄的護(hù)面，在嚴(yán)寒強
凍的地基上，要抵抗巨大的側(cè)向凍脹力是
十分困難的。如果僅僅靠增加襯砌厚度，則
很不經(jīng)濟(jì)，故應(yīng)采取技術(shù)措施加以科學(xué)防
治，則會減輕或避免凍脹破壞?；谝陨蟯
型渠道凍脹類型和成因分析，在工程技術(shù)
上可采取以下防治措施。
3．1改善深寬比值，分散凍脹力
在嚴(yán)重凍脹地段，一般支渠斷面可采
用H／B-O．65；較大的渠道可采用H／B=0．6。
在設(shè)計斷面時，宜采用較大的半徑，以降低
直線段高度，保持圓心以上的水深較小，使
過水?dāng)嗝娓呌诎雸A，同時也要適當(dāng)增大
圓弧部分的剛度，這樣會使結(jié)構(gòu)的受力條
件得到有效改善，從而分解凍脹力，以減輕
凍脹破壞。
3．2整體上抬拱底，降低凍脹力
u型渠槽基土凍脹量的分布一般是底
部大于兩側(cè)，當(dāng)拱底隨基礎(chǔ)變形上抬時，兩
邊基礎(chǔ)形成約束，致使兩側(cè)砌體受壓，加之
法向凍脹力從板后作用，常常造成邊板從
中部破壞。為減少阻力，使u型渠槽整體能
適應(yīng)基礎(chǔ)變形上抬，最好的辦法是在砌體
靠土基一側(cè)鋪設(shè)塑料薄膜。鋪設(shè)塑料薄膜
不僅可以減小槽體上抬，使各項凍脹力減
小，而且又能減少滲漏，明顯降低地基含水
量和凍脹壓力。加鋪塑料薄膜雖增加了施
工工序和工程費用，但在較寒冷的地區(qū)卻
能避免或降低砌體凍脹破壞，更重要的是
能有效地延長工程使用壽命。
3_3采取基土換填，預(yù)防凍脹破壞
一般挖取易凍脹土壤的深度為1／2～
2／3，再換填不易凍脹的土壤，以改善基礎(chǔ)條
件。在基礎(chǔ)條件較差的土質(zhì)或特殊情況下，
可采用砂礫石做墊層，也可采用灰土做墊
層?；翐Q填措施應(yīng)用后，基土水分明顯減
小，含水量大大降低。所以，采取基土換填
預(yù)防凍脹破壞的措施十分有效。
3．4放緩直線段邊坡，易于減輕凍害
施工時，直線段外傾角可增大到25。。
這樣一來可降低摩擦力，在力的作用下，因
基土凍脹力向上作用，渠側(cè)部的阻力相對
減小，凍脹力得到削減，會大大降低渠道凍
害破壞程度。
3．5降低基土含水量，減少凍脹隱患
做好渠道防滲是保證工程質(zhì)量的前
提。施工時，首先確保防滲工程質(zhì)量，盡量
減少滲漏，必要時可增設(shè)縱橫向排水系統(tǒng)，
將水排出渠床以外，或隔絕其它補充水源，
使渠床土壤含水量降到最低程度。石料方
便的地方可采用砌石U型渠道，從而減輕
渠床的凍脹。
3．6合理運用伸縮縫，避免凍脹開裂
合理運用伸縮縫不但可抵御u型渠道
混凝土熱脹冷縮的特性，又可避免因低溫
引起地基凍脹所產(chǎn)生的渠道開裂。在適當(dāng)
的部位預(yù)留伸縮縫和填充厚度合理的材質(zhì)
是很有必要的。一般橫向伸縮縫的距離為
2m～4m，通常采用的縫型為半縫、矩形縫、
梯形縫。半縫適用于襯砌機連續(xù)澆筑施工；
矩形縫和梯形縫適應(yīng)于混凝土預(yù)制施工和
現(xiàn)場分塊澆筑或噴射混凝土施工。夏季施
工時，要事先在縫內(nèi)混凝土表面涂刷冷底
子油，然后可在伸縮縫內(nèi)填充1：4瀝青水
泥砂漿、預(yù)制木板條、三氈四油材料。冬季
施工時，縫內(nèi)應(yīng)采用性能較好的焦油塑料
膠泥或聚氯乙烯材料，這樣不但可避免渠
道凍脹開裂，還可延長T程壽命。
4結(jié)語
隨著近年來u型渠道_T程建設(shè)進(jìn)程的
加快，因地基凍脹致使重復(fù)建設(shè)而消耗國
家投資的問題應(yīng)引起高度重視。對渠道進(jìn)
行科學(xué)設(shè)計和施工，并采取防凍脹措施不
容忽視。同時，廣大水利工作者在學(xué)習(xí)和實
踐中，應(yīng)科學(xué)應(yīng)用和推廣U型渠防凍脹技
術(shù)，從而達(dá)到根治的目的，進(jìn)一步推動水利
工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)化，效益化。陜茵水利
(責(zé)任編輯：周蓓)

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