浅谈灌区冬季输水渠道防冰和防冻胀措施

2021-12-27张秀萍

南方农业 2021年15期

张秀萍

（永昌县水务局二坝水管所，甘肃金昌 737200）

甘肃省地处我国西北内陆，冬季受西伯利亚蒙古高压影响，气温偏低、霜期长，当地11月至次年3月均温低于0℃，其中1月平均最低温度为-14℃，致使该地区灌区输水渠道出现结冰和冰冻问题。渠道内水面出现浮冰或水面与坡面接触层结冰后造成冰塞情况，严重影响了输水性能，甚至造成渠道内冰水混合物淤结导致某个或多个断面整体堵塞，水流涌出渠体，对渠体外道路、农田、村庄等设施和人身财产安全造成严重破坏。此外，在冻土地区渠道的混凝土防水层也容易受到冰冻影响，出现渗水和漏水现象，最终导致渠道水利用效率降低。因此，新时期需要结合冬季输水渠道的运行特点，采取防冰和防冻胀的保护措施，全面提升渠道水资源利用效率，使其更好地服务于农业生产。

1 灌区输水渠道冻害的类型和表现

甘肃省金昌市冬季温度低于0℃天气较长，导致灌溉渠道出现较多的结冰和冻胀问题，具体表现在以下3个方面。

1.1 冰冻破坏

部分渠道在冬季输水过程中，水面结冰情况较为普遍，特别是渠道水面和坡面接触层被冰封之后，冰冻层会不断加厚逐渐向水面中心合拢，导致水面升高，对渠道坡面的衬砌体产生巨大冲击力，甚至造成混凝土衬砌体出现变形或者位移。此外，漂浮的水体表面冰块不断累积，导致渠道内流水流通不畅，降低了输水效率，更严重的甚至会出现全面封堵情况而形成冰坝，随之造成水体从渠道两侧溢出，造成更大的安全隐患［1］。

1.2 冻融破坏

受到冻融特性的影响，在渠道混凝土防渗层内部，孔隙水会导致衬砌层被破坏，由于渠道混凝土衬砌层具有吸水性特征，在长期的水环境下，防渗材料会存在一定水分，而材料在低温环境下会结冰和体积膨胀。在孔隙水膨胀作用下，如果超出渠道衬砌混凝土材料强度，就会出现防渗材料变形和裂缝，在多次负温循环影响下，材料的吸水性进一步加强，使得孔隙水膨胀，破坏性更加严重，随之出现渠道混凝土衬砌材料冻融破坏。

1.3 冻胀破坏

在室外长期处于0℃下，渠基土会出现冻融、融沉等问题，会对渠道混凝土衬砌结构造成破坏，尤其是季节性冻土区的渠道，在长期低温环境下，渠道基层土壤中含有的水分会结冰、体积膨胀，其膨胀压力超出混凝土耐压时，衬砌层会出现隆起破坏，甚至导致混凝土衬砌结构出现开裂、折断。春季冰雪融化后，使得渠基土体结构的强度和稳定性大大下降，严重时会导致衬砌结构出现滑塌，对渠道输水运行造成影响［2］。

2 输水渠道防冰和防冻工作中存在的问题

2.1 安全监测工作不到位

为了保证输水渠道的稳定性，降低冰冻灾害造成的损失，需要切实做好监测工作，但部分地区在输水渠道的安全监测方面未能达到检测要求，主要是由于监测基础设施不完善，加之主要采取人工记录的方法，由此导致水位记录、水渗漏情况、结冰数据的记录不准确、不及时。此外，在防冻管理工作方面，信息化的建设较为缓慢，导致不能及时发现发生冰冻灾害的地点，影响了处理时间和效率。

2.2 排冰措施不完善

金昌市11月至次年3月，低于0℃环境下容易出现渠道结冰，所以，必须切实做好排冰工作，但部分渠段依然在该环境下输水，缺少拦冰和防冰措施，导致冰冻灾害发生频繁，出现闸门结冰情况，一些渠道和闸门排冰十分困难，进一步导致闸门开闭难度加大［3］。

3 冬季灌区输水渠道的防冰和防冻胀措施

冬季输水渠道出现冻融、冰冻、冻胀等破坏，主要与渠道和建筑物的结构、温度、土质条件和养护措施存在关系，因此需要采取有效的防御措施消除其中不利因素，以降低或防止渠道衬砌结构出现破坏，进一步发挥出渠道的工程效益和经济效益。

3.1 强化冰情的动态监测

在渠道工程建设过程中，做好动态监测能够及时发现问题。1）要制定科学的规章制度，加强巡查力度，推动冰情监测工作的规范化开展，尤其是闸门渠道、干线容易出现冰冻灾害的地段，更要加大监测力度。2）在监测结果方面做好记录，与同期历史数值对比，以此分析冰情发展态势。3）为了提升渠道防冰冻工作质量，新时期可以利用自动化监测系统，如传感技术的利用可以有效节约人力投入。4）水利等相关部门需要加强资金投入，推动信息化建设，尤其是重点渠道，更要加强对水位渗漏和变形等数据的采集，然后与历史数据对比，进一步提升预测的准确性［4］。

3.2 优化输水调度方案

新时期，保障渠道安全性还需要优化输水调度方案，要求相关部门平衡好渠道水流量及结冰量的关系，在冰情时期控制输水流量，冬季气温偏低时，通过提前停水，可以避免河道堵塞，当气温逐渐回升时重新放水。若必须在冬季低温期输水，要根据多年输水经验确定流量大小，同时尽量避免流量忽大忽小，保证流量稳定，坡面结冰位置基本不变，以避免结冰范围扩大。

3.3 确定冰害位置

当前，冬季输水运行渠道出现冰冻情况，主要集中在渠道干线分水口、电站进水闸及压力前池，特殊年份冬季气温过低时，还会出现沿途坡面连续性结冰，整体体现出灌区渠道工程冰害位置的“一线多点”特征。对于渠道干线出现的冰害，在实际处理过程中，应做好以下3 个方面的工作。1）考虑输冰运行及结冰盖运行方式，后期流量不可大于前期流量，以有效降低结冰情况，减少冰冻对干线衬砌混凝土造成的破坏。2）在压力前池、河进水闸等部位，主要是利用水力拉冰或者机械排冰的方法，减少结冰情况，降低破坏力。3）根据各地区经验，整体来讲，渠道的岸冰不得高出40 cm，如果岸冰宽度达到或者超过40 cm，要利用人力疏导水力自身冲击、打捞排冰、机械松动等方法清除，还要结合工程实际情况，在沿线选取合适位置，对排冰道合理布设，通过管理措施降低渠道内的结冰情况，减少出现冰塞冰堵［5］。

3.4 优化渠道结构断面

在预防渠道冰害过程中，需要对渠道断面合理设计，如果渠道流量不足3 m3·s-1的小流速输水渠道，可以设置成为输水效率偏高、防冻性能较好的U 型或者矩形断面，进而通过渠道结构的优势，提升抗应力破坏作用和稳定性。通过合理布局渠道、排水沟能够减少渠道基土中的含水量，提升渠道的输水性能。具体应结合当地冻土的季节性特征，进行渠道坡面的土体置换。主要是利用戈壁石、砂砾等具有非冻胀性能的材料，替换渠道边坡易冻胀破坏性能的材料，通常置换的厚度要达到最大冻土深度的2/3，灌区渠道冬季输水时，渠道冻胀部位主要是从下方1/3 处向上转移并逐渐增高，达到渠道边坡板1/3处就会出现冻胀破坏。通过土体置换，渠道边坡混凝土衬砌板尽管会出现冻结，但是不具备冻胀的条件，随之会减少膨胀变形的情况，会减少对渠道边坡沉积板的破坏。

3.5 隔温及保温防冻胀措施

在设计渠道建筑物过程中，可以将疏水构建物埋入到冻土层以下，以达到深埋、深挖的目标，起到隔温、保温和预防土体冻胀的作用。具体来说，需要在渠道防渗混凝土衬砌层下部设置保温层。参考相似地区经验，用聚苯乙烯膨胀泡沫板（EPS）可以达到良好效果。设置保温层主要价值在于提升防渗性能，同时减少渠基土的冻胀情况。据相关研究发现，渠道混凝土衬砌体发生冻胀，整个渠道的渗水量，在地层铺设泡沫板之后要比不铺设泡沫版提升90%，冻胀破坏程度出现的可能降低70%，整体体现出保温效果好的特征。水管单位还可以在渠道两侧种植植被，通过根系防风固沙、涵养水源的作用，有效改善混凝土衬砌的土层性质，并利用根系的网络状增强土层稳定性，循环改善渠道运行水环境的微气候循环［6］。

3.6 合理利用施工技术与材料

渠道工程建设中，施工单位要根据《渠道防渗工程技术规范》明确砂砾、混凝土、沥青等不同材料的防渗渠道冻胀量，通过科学合理地利用防渗材料，以确保渠道工程具备良好的冻胀性能。在水渠修建的过程中，通过夯实基层土、设置封地层、进行主体置换和配合拦截加固等措施可以阻断水体和冻结层的接触。此外，在土壤中科学利用化学材料，可以改变土壤的物理和化学性能，提升土体的密实度，降低渗漏量，还可以提升基坑抵御破坏的能力，提升渠道的稳定性，如加入土壤防渗剂、土壤固化剂、光固添加剂和盐碱土改良剂等，都可以达到良好效果。