１、概述

　　巴音郭楞蒙古自治州位于新疆維吾爾自治區(qū)中部，氣候?qū)俸涞貐^(qū)。其境內(nèi)的焉者盆地一年中最冷月１月份的平均氣溫為-10℃——-15℃，塔里木盆地1月份平均氣溫為-7℃——-11℃。由于氣候寒冷，興建的防滲渠道極易受到凍脹的的破壞。預(yù)制砼板護(hù)面防滲渠和現(xiàn)澆砼板護(hù)面防滲渠最易受到凍脹的破壞，漿砌石護(hù)面防滲渠和干砌石護(hù)面防不滲渠次之。無(wú)論是幾十個(gè)流量的大渠道，還是1個(gè)流量的小渠道，都會(huì)受到凍脹的危害。有些凍脹危害發(fā)生在建成后運(yùn)行初期的1～2年內(nèi)，而有些卻發(fā)生在工程建成末運(yùn)行之時(shí)。凍脹破壞在巴州的2個(gè)盆地內(nèi)均有發(fā)生，對(duì)渠道的危害也最大。因此進(jìn)一步研究渠道凍脹破壞的機(jī)理，采取有效的措施預(yù)防它，對(duì)保證各級(jí)防滲渠道的正常運(yùn)行，減少維修養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用意義重大。

　　2、渠道凍脹機(jī)理

　　渠道凍脹破壞是由于渠基土受凍體積膨脹頂托襯砌而形成，渠基土受凍體積膨脹必須具備以下條件：

　?、藕錃夂騾^(qū)持續(xù)的負(fù)溫條件；

　?、仆寥乐凶杂伤兔?xì)水的存在，并且有通暢的水分補(bǔ)給通道；

　?、峭寥辣旧淼奈锢砹W(xué)性質(zhì)，包括土的顆粒組成，礦物質(zhì)成份等。

　　在以上三個(gè)條件中，土壤中自由水和毛細(xì)水的存在是凍脹發(fā)生的的先決條件，也是必備條件。在整個(gè)漿脹破壞過(guò)程中，水是最活躍的因素。

　　從目前受凍脹破壞的渠道來(lái)看，基本上位于灌區(qū)內(nèi)，且處于灌區(qū)中、下游的居多。這是因?yàn)樵诠鄥^(qū)中下游地區(qū)，地下水埋深淺，土壤顆粒細(xì)，土體中自由水和毛細(xì)水的補(bǔ)給十分充足。一旦氣溫下降至零度以下，土體中的自由水和毛細(xì)水的體積受凍膨脹，引起土體膨脹，頂托襯砌，破壞渠道。

　　在河區(qū)下部，凍脹破壞不但發(fā)生在挖方渠道中，在半挖半填渠道中也普遍存在。由此可以看出，毛細(xì)水的凍脹性也不容忽視。

　　綜上所述，凍脹破壞是寒冷地區(qū)渠道建設(shè)中的一大難題，由土壤中的水、土體顆粒物理性質(zhì)和負(fù)溫所致，大多發(fā)生在灌區(qū)的中下部。

　　3、渠道防凍脹處理形式及比較

　　3.1渠道防凍脹處理形式

　　渠道防凍脹處理可通過(guò)改變渠道結(jié)構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即用“Ｕ”形或矩形斷面來(lái)代替梯形斷面。但這種處理形式只適用于小渠道，流量小于1m³/s的渠道。對(duì)于大渠道來(lái)說(shuō)，若采用這種處理方式，難免造成造價(jià)和施工難度的加大，加大的幅度還較大。

　　從上述導(dǎo)致土體凍脹的的三個(gè)基本因素中，只有三個(gè)因素同時(shí)具備，才發(fā)生凍脹破壞。只要消除其中一個(gè)因素，就能防止和減輕凍脹危害。從目前新疆地區(qū)的氣候條件來(lái)看，外部溫度不達(dá)負(fù)溫是不可能的，因此只有采取保溫措施達(dá)到內(nèi)部不負(fù)溫。切斷凍土地基在凍結(jié)前、后的水分補(bǔ)給是過(guò)去防凍脹處理常用的法，此外改變渠基土體的基本結(jié)構(gòu)也是保證土體非凍脹性的一種方法。

　　要切斷凍土地基在凍結(jié)前后的水分補(bǔ)給，通常是采用高填或排水措施來(lái)減少水分的補(bǔ)給。但是由于土體顆粒及物理力學(xué)性質(zhì)的決定，毛細(xì)水的作用不可忽視。毛細(xì)水往往上升至地下水面以上2～3m的平面上，同樣會(huì)對(duì)渠產(chǎn)生凍脹破壞。例如庫(kù)爾勒市哈拉蘇農(nóng)場(chǎng)的一個(gè)小渠道，流量1.5m³/s，旁邊平行有一條深1.5～2m的排水溝，渠道為半挖半填渠道，在施工中就發(fā)生了凍脹破壞。因此對(duì)于細(xì)顆粒土體，要完全切斷水分的補(bǔ)給是不現(xiàn)實(shí)的，毛細(xì)水的凍脹破壞不容忽視。

　　改變基土的基本結(jié)構(gòu)的辦法是進(jìn)行渠基土的換填，就是用大顆粒的土體填入渠基，將原來(lái)的細(xì)顆粒土體挖走。這種換填工程量較大，換填厚度一般要大于等于凍土深度。如果在凍土深小的地區(qū)使用尚可，若在凍土深較大的地區(qū)使用，往往工程量是巨大的。

　　從目前情況看，任何工程要根本回避和解決凍脹三因素之一，從考慮經(jīng)濟(jì)和投資省的情況下，都是非常困難和把握不住的。因此在實(shí)際工作中，往往將幾種工程措施結(jié)合起來(lái)使用。即以回避一種因素為主，輔之以回避另一種因素的綜合措施進(jìn)行防凍脹處理。如在匯要兩面三刀側(cè)開(kāi)挖排水溝降供銷(xiāo)水分補(bǔ)給的同時(shí)，對(duì)基土進(jìn)行一定厚度的換填。用砂或戈壁層加塑膜進(jìn)行保溫，以減少凍脹破壞。

　　近來(lái)隨著新型建筑材料的問(wèn)世，苯板越來(lái)越多地應(yīng)用于渠道的防凍脹處理。苯板防凍脹的主要機(jī)理是它具有保溫的功效，保證了渠基土不受負(fù)溫的影響，同上述砂或戈壁層加塑膜保溫的原理是一樣的。根據(jù)現(xiàn)有對(duì)苯板的搞凍試驗(yàn)資料，10cm厚的苯板可起到100cm厚砂或戈壁層的保溫效果。遠(yuǎn)大于相當(dāng)于5～10cm厚戈壁、砂的塑膜的保溫效果。

　　3.2渠道防凍脹處理形式比較

　　在高地下水位區(qū)，即使采取了斷絕土壤中水分補(bǔ)給的措施，仍難以保證阻止毛細(xì)水的上升，因此還必須采取其它防凍脹處理形式。

　　對(duì)渠基土進(jìn)行換填是一種防凍脹的處理形式，它即改變了渠基土的結(jié)構(gòu)，又具有一定的保溫作用。它的優(yōu)點(diǎn)是：①當(dāng)渠道附近有大量換填材料時(shí)，造價(jià)可能便宜；②由于對(duì)渠基進(jìn)行了徹底換填，當(dāng)質(zhì)量達(dá)到要求時(shí)，可保證渠道永久不受凍脹危害。同時(shí)也具有以下缺點(diǎn)：①由于換填厚度大，土方工程量較大，當(dāng)換填材料運(yùn)距較遠(yuǎn)時(shí)，造價(jià)較高；②施工難度大，清除了渠基原土，換填后的砂、戈壁難以進(jìn)行夯實(shí)，要達(dá)到施工規(guī)范要求，難度較大；③換填料的質(zhì)量難以把握，要求回填含土量小于5%的料。采用天然材料，很難尋找料源。若采用人工加工料，則不經(jīng)濟(jì)。

　　若不采用基土回填，只鋪設(shè)苯板保溫，防止渠基土凍脹也是近年來(lái)漸漸采用的一種防凍脹處理形式。它只有保溫作用，不對(duì)基土進(jìn)行回填。具有以下優(yōu)點(diǎn)：①抗凍效果好，采用10cm的苯板即達(dá)到了換填100cm砂或戈壁的保溫效果；②施工方便，渠道開(kāi)挖斷在小。不對(duì)基土進(jìn)行攏動(dòng)，直接將苯板置于基土上，在苯板上直接進(jìn)行襯砌材料的施工；③在一定條件下造價(jià)便宜，使用的施工機(jī)械少，人工省。采用苯板，不進(jìn)行基土換填，避免了大量土石方機(jī)械的使用。當(dāng)基土換填材料運(yùn)距大于一定距離時(shí)，其造價(jià)低的優(yōu)勢(shì)立即顯現(xiàn)。苯板防

　　凍脹材料的缺點(diǎn)是：在一定條件下，同換填相比，造價(jià)較高。當(dāng)基土換填材料運(yùn)距小于一定距離時(shí)，其造價(jià)明顯高于換填處理。

　　拿開(kāi)都河第一分水樞紐北岸干渠為例。該渠道為開(kāi)都河第一分水樞紐配套輸水渠，長(zhǎng)km，輸水流量m³/s。

　　4、苯板防凍脹成功幾例

　　4.1庫(kù)塔干渠西干渠

　　庫(kù)塔干渠是開(kāi)~孔河流域灌區(qū)的一條主要的灌溉渠道，主要承擔(dān)向孔雀河下游灌區(qū)的輸水任務(wù)。干渠由總干渠、東干渠、西干渠組成，目前建設(shè)完成了總干渠和西干渠，東干渠即將建設(shè)。總干渠長(zhǎng)17.8km，上段設(shè)計(jì)流量為35m³/s，加大流量40 m³/s；下段設(shè)計(jì)流量30m³/s，加大流量35 m³/s。西干渠長(zhǎng)38km，設(shè)計(jì)流量20~10m³/s，加大流量23~10 m³/s。庫(kù)塔干渠灌溉著庫(kù)爾勒市、尉犁縣37.52×10⁴畝的土地面積。

　　西干渠為梯形斷面，渠深3.3m，底寬2.15m，邊坡為1:1.5，水深為2.59m。兩邊渠堤寬度為2.5m，渠道外邊坡也為1:1.5。渠道襯砌采用70mm厚的C20預(yù)制砼板，砼板下部為60mm厚的苯板用于防凍脹。

　　渠基土為粉細(xì)沙，顆粒細(xì)，保水性好，屬凍脹土。經(jīng)苯板防凍脹處理后，經(jīng)過(guò)8年的運(yùn)行，未發(fā)生凍脹破壞。

　　4.2開(kāi)都河第一分水樞紐北岸干渠

　　是開(kāi)都河第一分水樞紐的配套輸水干渠，開(kāi)都河第一分樞紐合并了開(kāi)都河兩岸多座無(wú)壩引水龍口，使兩岸引水得到了統(tǒng)一管理。北岸干渠全長(zhǎng)22.9km，設(shè)計(jì)引水能力32m³/s，灌溉面積47.55×10⁴畝。它連接了第一分水樞紐及北岸的四條引水干渠，使樞紐發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)了用渠道輸水代替河道輸水。渠道為梯形，底部為弧形。渠深為2.4m，圓弧形底深0.4m，梯形深2.0m，渠底寬為3.0m。渠道內(nèi)邊坡為1:1.75，渠堤頂寬為2.0m，其中封枯板寬為0.6m。渠道襯砌采用現(xiàn)澆砼板，板厚10cm。根據(jù)各渠段地基土的情況，渠道防凍脹采用了不同的形式。上段8km采用基土換填的處理方式，下段根據(jù)需要，有的地方在弧形底板下部布設(shè)了10cm厚的苯板，有的地方在邊坡上布設(shè)了苯板。渠道上段完工后，發(fā)現(xiàn)部分渠段出現(xiàn)了斷板和凍脹現(xiàn)象。分析原因，基本上可以得出如下結(jié)論：斷板原因?yàn)閾Q填基土密實(shí)度未達(dá)設(shè)計(jì)要求，再加之施工單位偷工減料板厚未達(dá)設(shè)計(jì)厚度所致；凍脹原因?yàn)閾Q填基土耒達(dá)設(shè)計(jì)要求的級(jí)配，內(nèi)含細(xì)顆粒較多而造成。因此渠道防凍脹形式若采用換填的處理方式，則換填土的本身質(zhì)量及施工質(zhì)量對(duì)渠道能否正常運(yùn)行關(guān)系較大。在施工過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制，但受施工條件的限制，這些要求達(dá)到的難度較大。北岸干渠下段采用苯板防凍脹，施工方便，防凍脹效果較好，但缺點(diǎn)是同換填相比較，造價(jià)較高。

　　4.3尉犁縣塔里木北干渠

　　塔里木北干渠位于尉犁縣境內(nèi)，建于20世紀(jì)50年代，是尉犁縣主要棉區(qū)——古勒巴格鄉(xiāng)、團(tuán)結(jié)鄉(xiāng)、塔里木鄉(xiāng)的灌溉渠道，灌溉面積為11×10⁴畝。干渠現(xiàn)為土渠，長(zhǎng)24.814km，渠道縱坡1/6000~1/8000，過(guò)水流量為5m³/s，過(guò)水?dāng)嗝鏋?0m²，流速0.3m/s。渠道滲漏嚴(yán)重，渠道水利用系數(shù)為0.85。

　　計(jì)劃對(duì)該干渠進(jìn)行防滲改造，采用砼板防滲。由于渠基土為龍四系粉細(xì)砂、粉土、粘土，再加之地下水埋深淺，因此渠道受凍脹的威脅較大，防凍脹設(shè)計(jì)龍其重要。

　　渠道底寬1~2m，渠深1.86~2.35m，邊坡1:1.5~1:1.75，渠堤寬2.5m，封頂板寬0.3m。渠道防滲采用80mm厚的C20預(yù)制砼板。防凍脹采用了兩種形式比較，一種為砼板下鋪60mm厚的苯板保溫，一種為渠基換填40~60cm的砂礫墊層防凍脹。

　　苯板從庫(kù)爾勒市購(gòu)進(jìn)，平均運(yùn)距67km，砂礫料從尉犁縣與庫(kù)爾勒市交界處的希尼爾地區(qū)拉運(yùn)，平均運(yùn)距30km。兩種方案的渠道斷面相同，經(jīng)比較，苯板方案總投資為2611.67×10⁴元，換填砂礫料方案總投資為3110.41×10⁴元。方案一具有投資省、施工簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因此塔里木北干渠的防凍脹采用鋪苯板保溫的設(shè)計(jì)形式。

　　5、結(jié)語(yǔ)

　　對(duì)渠道防凍脹處理方式的選擇，關(guān)系到渠道的造價(jià)和施工的難易，必須慎之又慎。苯板作為一種新型的渠道防凍脹處理方式，具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)階段巴州對(duì)苯板的運(yùn)用還剛開(kāi)始，一切還處于試驗(yàn)摸索階段。雖然已有成功的運(yùn)用例子，但需在今后的渠道設(shè)計(jì)與施工中不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善苯板的防凍理論和實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，為這一新型防凍材料的大面積推廣應(yīng)用提供條件。（考試大編輯整理）