黑龙江省渠道防渗防冻胀技术应用模式

李国忠，李玉斌，吴富平

(1.哈尔滨市阿城区水务局红星水库管理处，阿城150300;2.黑龙江农垦海川招标咨询有限公司，哈尔滨150090;

3.黑龙江省水利科学研究院，哈尔滨150080)

0 引言

黑龙江省地处我国季节性冻土区，气候寒冷，渠道防渗工程普遍存在着严重冻害问题，工程效益难以正常发挥。为减少渗漏损失，提高渠道输水能力，自1998年以后，国家和省政府加大了对灌区实施续建配套及节水改造项目投入，开始了大规模渠道防渗衬砌工程建设。从多年渠道防渗衬砌工程运行情况看，已建成的渠道工程因冻害均有不同程度的破坏，甚至有的破坏较为严重，但也有的渠道防渗工程，虽然经过近10 a的运行，防渗效果仍然很好。由此可见，无论哪种防渗衬砌形式都具有节水效果，但使用年限、发挥的效益却是不同的。那么对渠道防渗来说，到底采用什么样的结构形式才能既经济又抗冻，既保证防渗效果，又延长工程使用寿命?这是设计和建设单位面临的现实问题。经过对全省渠道防渗工程进行大量调研考察，认为以下几种渠道防渗防冻胀结构模式可以作为不同渠基、水文地质条件下渠道防渗工程的首选模式。

1 梯形断面结构模式

梯形断面渠道在黑龙江省的应用具有普遍性。①梯形断面施工技术简单好掌握，能够被设计、施工单位、项目单位所接受;②适合灌区改造渠道的现状。现状渠道断面就是梯形的，在此基础上进行渠道工程建设，既简单又经济。因为输送流量较大，所以干、支渠道常采用梯形断面。在梯形渠道工程中，主要采用复合土工膜防渗、现浇或预制混凝土板防护、钢柔结合的防渗防冻胀结构模式。黑龙江省香磨山灌区、宝泉岭梧桐河灌区、龙凤山灌区、音河灌区等所有灌区基本上都采用了这种断面结构，包括辽宁内蒙等地的大多数灌区也都使用了这种梯形渠道防渗防冻胀结构。

1.1 全铺全防结构模式

这是最常用的渠道防渗衬砌结构，即渠坡渠底全部采用混凝土板防护、复合土工膜防渗的结构，一般情况下各灌区都普遍应用。混凝土板可根据渠道工程地质、填挖方条件选择采用预制板或现浇板。通常填方渠道可以在复合土工膜上直接现浇混凝土板，复合膜下是砂垫层;挖方渠道常采用预制混凝土板，板下面是砂垫层，然后才是复合土工膜。如果地下水位很高，渠道中必须设置排水设施。此模式适用于底宽5 m内的渠道工程。因为是全铺全防结构，底宽又在5 m以内，所以不设置固脚。

图1 现浇混凝土板结构模式

图2 预制混凝土板结构模式

1.2 复合断面防渗防冻胀结构模式

此断面结构的特点是坡面防护，渠底不护。因为渠底冻胀量是最大的，不设置刚性防护，就不存在冻胀破坏问题。但由于只做坡面防护，为防止混凝土板下滑，此种结构一定要设置固脚，固脚可以支撑边坡不下滑，使坡面稳定。这是一种最经济实用的渠道防渗防冻胀结构，可根据不同渠基地质情况，采取不同结构形式。分以下3种形式:

1.2.1 坡面防护、渠底防渗结构

这种情况是渠坡采用预制混凝土板加无纺布防护、渠底用复合土工膜上回填砂砾石防渗结构。此种结构渠底防渗而渠坡只作防护，可使渠道侧面坡水或地下水通过渠坡渗入渠道内，降低渠基含水量，减少对坡面混凝土板的压力，避免渠基产生冻胀、滑坡现象。此结构模式适用于渠道侧面有坡水现象及地下水位高的挖方渠道。如黑龙江省音河灌区地下水位高的渠段采用的就是这种防渗衬砌结构，运行多年未见冻胀破坏，见图3。

图3 坡面防护渠底防渗结构

1.2.2 坡面防护防渗、渠底防渗结构模式

此种情况是渠坡采用现浇混凝土板加复合土工膜、渠底黏土压实防渗的衬砌结构。本模式适用于黏性土渠基的填方渠道。因为黏性土渠底渗漏很小，渠底不采取防渗措施;由于填方渠道冻胀量小，可以采用现浇混凝土板防护。此结构模式只作坡面防护，为了增加坡面板的稳定，故要设置固脚。这种渠坡防渗防护、渠底黏土防渗的结构模式，施工简单、又减少工程造价，很受应用单位欢迎。如黑龙江省齐齐哈尔市江东灌区六干渠采用的就是这种结构模式，见图4。

图4 坡面防护防渗渠底防渗结构

1.2.3 半铺全防结构模式

即渠坡用混凝土板防护、渠坡渠底全部采用土工膜防渗、渠底回填原状土的防渗防冻胀结构模式，见图5。这种全断面铺设复合土工膜需要注意的是:膜料从渠底铺过来一定要绕过固脚再铺到坡面上，这样防渗效果会更好。这种模式坡面混凝土板可根据渠道形式选择预制或是现浇。因为渠底没有刚性防护，所以没有冻胀破坏，但一定要设置固脚。此模式因为工程造价低及防渗防冻胀效果好而受到普遍欢迎。黑龙江省宝清县龙头桥灌区、依兰倭肯河联合干渠、查哈阳灌区总干、引汤灌区等都采用了这种渠道防渗防冻胀结构模式，其中引汤灌区引汤总干采用的这种渠道防渗结构模式已经运行了近10 a，没有发生冻胀破坏现象，延长了工程使用寿命，充分发挥了节水灌溉效益。

图5 半铺全防结构形式

2 U形断面结构模式

由于U型断面接近最佳水利断面，所以它的水流条件好，适应冻胀变形能力强，施工速度块，也是寒冷地区渠道防渗防冻胀应用结构形式之一，特别适用于冻胀性土和湿陷性土壤的中小型渠道。预制混凝土U型槽构件可机械化生产，断面结构是预制混凝土全U或半U型槽下加设防渗膜。一般U型槽口径宽不超1 m，槽壁厚4～6 cm。如木兰县香磨山灌区节水灌溉示范区在支渠上就使用机械设备生产的上口宽60 cm、R=27.5 cm、槽深47 cm的U形槽构件，与在同样条件下比一般现浇混凝土U形渠道节省水泥30%、砂(石子) 50%，节省运输费用40%，同时还可节省渠槽造型等用工，综合造价可节省30%～40%，提高功效5～7倍［1］。

除黑龙江省木兰香磨山、鸡东等灌区应用外，内蒙、甘肃、新疆等省也大量应用。见图6。但对渠床的施工质量和预制U型槽的生产工艺要求很高，否则易发生错位或上移甚至槽身折断现象。

图6 U型断面结构

3 渠道防渗防冻胀技术模式应用经验和体会

3.1 正确选择渠道防渗防冻胀技术模式

由大量的渠道防渗工程实践证明，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模式很重要。一定要考虑渠段工程地质、水文等外部情况来具体制定［2］。当渠段外侧有坡水现象发生(或渠段为挖方渠道，地下水位又较高时)，此时要考虑渠内无水或水位较低时，渠道边坡受坡水侧向水压力顶托，致使渠道边坡不稳定，容易造成滑坡。同时也为减少渠基含水量、避免冻胀发生，边坡不能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。即图1－3坡面防护渠底防渗结构模式。

3.2 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。

3.3 推进渠道防渗工程施工标准化

我国在2004年发布了《渠道防渗工程技术规范》SL18－2004，这对渠道防渗工程的标准化提供了依据［3］。渠道防渗衬砌工程要想达到理想效果，正确选择结构模式是一方面，而施工质量更是重要的因素。在工程建设过程中严格按照施工图纸和相应的技术规范进行施工，必须严把质量关。

1)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，防渗衬砌前断面大、渠底宽，渠底复合土工膜上可采用50 cm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。

2)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%之内。

3)因为渠道主体材料就是混凝土，混凝土施工必然要有伸缩缝，而渠道的伸缩缝又是水分渗漏的一个主要途径。从伸缩缝中渗入渠基的水分不仅会造成水量损失，还容易引起渠道塌陷、破坏，甚至发生由于渠基土冻胀而引起的渠道衬砌破坏。为此，一定要重视伸缩缝材料的质量，甚至提高止水材料的造价也是值得的。预制板可在渠道行水期间采用工厂化生产提前预制，这样既缩短了工程工期，确保了工程质量，缓解了施工与灌溉行水之间的矛盾。为了保证现浇混凝土防渗渠道的耐久性，除了正确合理的设计以外，必须严格提高施工技术水平，加强对混凝土的品质、配合比质量的波动以及混凝土的拌和、运输、浇筑、养护等施工工艺的监督和管理，以保证施工质量，做到优质、经济、安全。可借鉴先进经验，推广集混凝土振捣、模具、成型于一体的行进形组合衬砌机，逐步提高渠道防渗工程向半机械化和机械化方向发展［4］。

［1］ 吴富平，那文杰，韩雷.渠道防渗论文集［J］.2003.106－108

［2］ SL18－2004渠道防渗工程技术规范［S］.北京:中华人民共和国水利部，2004.

［3］ 孙坤君.我国渠道防渗工程中应注意的问题.国家节水灌溉网.2006.3.16.

［4］ 周维博，李立新，何武权，吕洪光.我国渠道防渗技术研究与进展［J］.水利水电科技进展.2004，24(5):60－63.