宁夏灌区渠道抗渗防冻胀衬砌形式的探讨

宁夏灌区渠道抗渗防冻胀衬砌形式的探讨

［摘要］宁夏引黄灌区是我国古老大型灌区之一，随着灌区工

农业的发展，用水量逐年增加，水的供需冲突日益突出。为削减渗

漏损失，防卫渠堤滑塌，提高渠道输水实力，找出防冻胀效果更好、

最经济的衬砌形式就变得特别迫切。分析了灌区柒道防渗工程的冻

害缘由，对不同衬砌结构形式进行了技术比较，给出适用于不同条

件、防冻胀效果好且经济好用的防渗衬砌形式，为宁夏灌区渠道衬

砌工程防冻胀供应理论指导，使工程投资发挥最大效益，推动灌区

的快速发展。

［关键词］宁夏灌区渠道防渗抗冻胀措施

1.灌区渠道概况

宁夏引黄灌区是我国古老大型灌区之一，具有两千多年的渠道浇灌

历史，灌区盛产稻麦，年种年收，素有“天下黄河富宁夏”、“塞上

江南”之美称。灌区位于黄河上游，黄河纵贯灌区南北，流程397km,

年过境水量330亿m3,是灌区的主要水源。灌区呈带状，南北长约

320km,东西宽约40km,地面高程1236〜1087m,由南向北递减。

灌区为典型的大陆性季风气候区，干旱少雨，蒸发剧烈，多年平均

降水量仅192mm,蒸发量高达2000mm。日温差较大，年平均气温

8.5℃,最低气温-24.5℃,无霜期164d,平均冻深80〜90cm,最

大冻深1.2m。灌区地下水位较高，多年平均埋深0.7〜3.0m,季节

性（11月下旬至次年4月中旬）平均埋深1.5~3.0m。灌区现有总

干渠2条，长59km,干渠15条，长1481km；有排水干沟32条，

总长790km；有大中型扬水工程7处，小型电力排灌站570座；排

灌机井5000多眼。灌区浇灌总面积645万亩，总引水实力750m3/s,

年净用水量32.8亿m3。浇灌周期分春灌、夏秋灌和冬灌三个阶段,

历时180do

随着灌区工农业的发展，用水量逐年增加，水的供需冲突H益突出。

为削减渗漏损失，防卫渠堤滑塌，提高渠道输水实力，自七十至八

十年头起，起先对干渠进行防渗衬砌。但由于宁夏地处季节冻土区,

气候寒冷，因冻胀使衬砌工程均有不同程度的破坏，特殊是地下水

位较高的地区，冻胀破坏尤为严峻，致使工程效益不能充分发挥，

修理费用也大为增加。据调查，宁夏七十至八十年头修建的渠道衬

砌工程，以预制素混凝土板和现浇素混凝土为主要衬砌形式，未实

行防冻胀措施。至兀十年头，因冻害儿乎已全部破坏，无法接着运

用。

进入九十年头，特殊是1995年以后，国家加大了大型灌区节水改

造的投入，灌区起先了较大规模的渠道衬砌工程，在各大干渠均进

行了局部段落的防渗衬砌，衬砌形式大多为浆砌石基础、预制混凝

土板宽缝护坡下铺设防渗膜的复合形式。经2003年调查，高填方

渠道，因地下水位较深，土壤含水量小，在没有实行相应防冻胀措

施的状况下，渠道衬砌冻害较轻。半挖半填渠道或挖方渠道，由于

地下水位埋深较浅，且有渠坡侧向水源补给，基土含水量较高，其

冻害较为严峻。

鉴于半挖半填渠道或挖方渠道冻胀破坏严峻，为探究灌区渠道衬砌

防冻胀应用技术，消退冻胀破坏，延长工程运用寿命，提高工程投

资效益，从八十年头起先，就在支渠上进行了一些防冻胀试验，其

中由原西北水科所和宁夏水科所联合主持在大新渠支渠上进行的

多种形式的防冻胀试验，经系统观测分析，结合多年工程实践，总

结出了适合宁夏灌区支柒及下级渠道防冻胀衬砌模式，如在地下水

位较高的支斗渠上采纳U型或弧脚断面、预制混凝土板或现浇混凝

土加铺苯板、膜料等复合衬砌形式；在地下水位较低的支斗渠上采

纳u型或弧脚断面、预制混凝土板或现浇混凝土加铺膜料等复合衬

砌形式。

干渠防冻胀衬砌主要是从1998年起先，在借鉴国内外先进的防冻

胀衬砌模式和考虑本地实际状况基础上，结合工程建设，进行了多

种防渗防冻胀衬砌形式试验，同时引进了一些经济好用的新材料、

新工艺。如在干渠上采纳的衬砌结构形式主要有梯形断面护坡素土

护底，弧形坡脚全断面衬砌和u型全断面衬砌共三类；防渗层为浆

砌石基础宽缝混凝土板护坡下铺设防渗膜：u型断面为全断面宽缝

混凝土板衬砌下铺设防渗膜；防冻胀措施主要采纳换填砂砾料加铺

土工膜、设水纹管及排水管等形式；另外还进行了现浇混凝土护坡、

混凝土板绞接衬砌等形式。但由于没有完全消退基土冻胀，很多衬

砌工程仍存在冻胀裂缝和冻胀位移现象，严峻威逼着干渠衬砌工程

的平安和防渗效果。因此，进行系统的、多种形式的防冻胀试验，

找出防冻胀效果更好、最经济的衬砌形式就变得特别迫切。

2.灌区渠道防渗工程的冻害类型

抗裂或抗拉强度时，防渗层即会裂缝破坏。尤其严峻的是在渠基土

冻结期间，往往由于地下水位较高，或因四周有水源补给时，将会

有大量的水向冻结锋面转移和结冰，由于迁移的水分产生的基土冻

胀量远远大于基土含水量所产生的冻胀量，故其冻害也大于前者。

同时，在次年溶化后，刚性材料渠道防渗层其裂缝宽度可能有所缩

小、隆起高度有所下降，但不行能复原原状，将有残留变形存在即

剩余冻胀量。如不刚好修理和处理，并接着输水运行，则其冻害将

逐年加剧，直至破坏，完全失去工程效益。

上述三类渠道防渗工程的冻害虽然是并列的，但对工程的危害程度

是不同的。就冬季不行水的渠道而言，第三类冻害是基本的和主要

的；而对于冬季行水的渠道，因渠水有保温作用，故冻害以其次类

为主；另外，对详细的工程来说，其冻害不是某一类冻害单一的表

现，而往往是几种冻害类型同时作用的结果。

3.灌区干渠衬砌破坏状况及缘由分析

3.1主要干渠衬砌破坏状况

自20世纪7CT80年头起先，对灌区内各大干渠的险工渠段、渗漏

严峻渠段进行了衬砌，这些砌护多用于防险防冲和渠道水工建筑物

的上下游护坡，而且多见于零星衬砌，对渠道防渗起不了多大作用。

至九十年头，这些衬砌渠段因冻害几乎已全部破坏，无法接着运用。

2002-2003年对灌区干渠渠道衬砌工程进行了冻害调查，调查范围

为1995年后投入运行，渠道设计流量大于10m3/s的干渠砌护工程,

调查的内容包括：渠道砌护地点、形式、长度、时间、流量、渠道

走向、挖填方、渠道土质、冬季是否积水、工程造价、破坏现状和

渠道防冻胀好的建议等内容。调查中发觉，运行两年以上的衬砌渠

道均出现不同程度的冻胀破坏，主要表现为：①鼓胀及裂缝。多出

现在渠坡坡脚以上1/4〜3/4坡长范围内和渠底中部。当冬季渠道

积水或行水时，一般出现在水面旁边的渠坡上。②隆起架空。在地

下水位较高的渠段，渠床基土距地下水近，冻胀量大，而渠顶冻胀

小，造成混凝土衬砌板大幅度隆起、架空。这种现象，多出现在坡

脚或水面以上0.5〜1.5m坡特长和渠底中部。③滑塌。由于冻胀隆

起，架空，使得坡脚支承受到破坏，衬砌板垫层失去稳定平衡，因

而基土溶化时，上部板块顺坡向下滑移，错位，相互穿插，迭叠。

3.2冻胀破坏缘由分析

（1）入冬冻结前渠道停水较晚，基土含水量高。渠道每年4月下

旬起先行水，直到11月中旬起先封冻时才停水，封冻时，基土含

水量普遍较高，尤其是渠道靠水面线以下部分，基土含水量更高。

另外，在地下水位较高的渠段，基土具备地下水迁移条件，由于水

份迁移，含水量进一步增加，混凝土预制板背面基土冻胀量随之增

大，渠坡和渠底发生冻胀隆起，混凝土板被胀开或胀裂。

（2）混凝土抗冻等级设计标准低。从已建的工程破坏状况看，工

程的抗冻等级低，混凝土抗冻性能不够。特殊是中小型工程，对混

凝土的抗冻耐久性缺乏足够的相识，是渠道遭遇冻融破坏的主要缘

由。

（3）修理不刚好，使冻胀土体接着隆起，使破坏加剧。由于对渠

道修理工作重视不够，冻胀破坏段得不到刚好整治，其次年入冬后,

在原已冻胀的基础上接着发生冻胀隆起，使破坏程度增加。

（4）工程质量较差。部分衬砌渠道纯属因施工质量存在问题，从

而产生冻胀破坏。

在调查中还发觉由于渠道走向不同，接受日照时间的长短不尽相

同，所以冻胀危害的程度也不相同。另外，在地下水位高于渠底的

渠段，冬季渠内积水，反而产生了肯定的结冰保温作用，使冰冻层

以下的渠底冻胀很小，甚至无冻胀现象。

4.渠道防渗防冻胀衬砌形式的应用

4.1灌区渠道衬砌应用的形式

目前，宁夏引黄灌区渠道防渗衬砌形式多种多样，按衬砌材料和

衬砌结构大体可分为以下两大类：

（1）衬砌材料分类。①塑料薄膜全断面防渗衬砌：此种衬砌形式

经济、防渗效果好，适用于一些水流平缓的宽浅式干渠、支干渠，

采纳底埋式，上覆30〜50cm填土。这种形式具有抗冻、防渗性能好,

投资省，施工技术简洁，工效高等优点。在新建粘性土质的支斗渠

上，也可采纳塑膜半衬或全衬，防渗效果特别明显。②混凝土板护

坡、塑膜护底防渗衬砌：此种衬砌形式造价较低、防渗效果好，主

要适用于干渠防渗，混凝土板护坡起到防止渠堤冲刷和防渗作用。

③混凝土板全断面防渗衬砌：此种衬砌形式多应用于支、斗、农级

渠道的防渗衬砌，可达到防渗、加大输水流量、缩短输水时间的目

的，是灌区应用最多的形式。④混凝土板与塑膜复合防渗衬砌：它

是在碎板衬砌的基础上，再加设一道0.18、0.3mm厚的聚乙烯塑膜,

膜上铺设3cm厚低标号水泥砂浆，在渠底为砾石的渠段，膜下铺10

cm厚的细砂过度层。此种衬砌形式具有防渗效果好、输水条件好的

特点，主要应用于干、支、斗渠的防渗砌护。⑤干砌石笼基础混凝

土护坡衬砌：是在渠道下1/3〜1/4高采纳8#铅丝或4)6钢筋做成网

框，其内填块石形成石笼，并使石笼齿墙埋深1.2m,渠坡上2/3-3Z4

渠高采纳厚度8cm的碎板砌护，在板后铺设30~60cm砂砾石垫层，

垫层后再铺一层土工布作为反滤。此种衬砌形式的特点是：石笼基

础适应变形，而且整体性好，它既可以稳定渠道坡角，又具有解除

渠堤内积水作用，从而减轻外水压力和冻胀破坏。主要应用于干渠

的防渗衬砌。⑥浆砌石基础混凝土护坡衬砌：是在渠坡底部1/3渠

高采纳厚度30~60cm浆砌石砌筑，砌石齿墙埋深1.2m,渠坡上2/3

渠高采纳厚度为8cm的碎板砌护。此种衬砌形式的特点是：只要浆

砌石有足够的厚度和埋深，对抗冻胀和削减浆砌石的变形破坏效果

显著。主要应用于干渠的防渗衬砌。同时，应用于水流较急、大填

方或渠道转弯的凹岸渠段，加固渠堤、防止渠岸冲刷。⑦浆砌石全

断面衬砌：此种衬砌形式为沿渠道内边坡：渠底砌筑30cm厚的浆

砌石，水泥砂浆勾缝。其特点是防渗效果比较好，整体性强。适用

于干渠、支干渠和支渠。⑧槽型混凝土板衬砌：此种衬砌形式防渗、

抗冻胀性能好，主要适用于干、支渠。⑨换填砂砾石衬砌：此种衬

砌形式主要是利用砂砾石有效孔隙，有利于渠堤水排出，起到削减

冻胀破坏的效果。多适用于干渠、支干渠道的防渗衬砌。⑩土工膜

（复合土工膜）加现浇混凝土或混凝土预制板防渗衬砌：土工膜和

复合土工膜是最好的柔性防渗材料，在它上面再加以4〜8cm厚混凝

±（少筋混凝土）为刚性护面衬砌，是适合支、斗梯形渠道的较好

防渗衬砌结构。特殊是素混凝土防渗渠道以其造价低廉而被广泛应

用。土工膜加混凝土预制板防渗衬砌，预制混凝土板的重量以两人

能抬动为宜，板厚在8cm左右，形态以正方形或六边形为主，此种

防渗结构形式基本上可缓解或减轻冻害。土工膜（复合土工膜）加

混凝土u型槽防渗衬砌：由于u形断面接近于最佳水力断面，所以

它的水流条件好，而且抗冻性能也高，冻害程度仅为梯形渠的

1/3~1/4。在中小型渠道上采纳预制混凝土u形防渗槽，是寒冷地

区较好的渠道防渗技术措施之一，混凝土u形渠槽构件可机械生产。

聚苯乙烯保温板衬砌：在砌石基础上，在砂板后加设一层5~8cm聚

苯乙烯板。此种衬砌形式的特点：在排水畅通，坡角稳定的基础上,

利用保温板提高地温，从而更有效地防止冻胀破坏，适用于干、支

渠道。渠堤垂直铺膜防渗：利用装备特殊刀具破裂土体的专用机械

并配以高压水枪，在渠堤顺渠道轴线方向造成一条连续的宽25cm

的垂直槽，利用泥浆护壁保证槽子完整，然后通过联动装置将

0.3~0.4mm厚的pe塑膜利用膜捆法也称顺铺法铺设。能延长渗径、

降低水流渗透坡降，起到较好的防渗作用。重直铺塑膜后渠道渗漏

损失削减60婷80%,渠堤两侧地下水位明显下降。此方法适用于大

型干渠。

另外，土料防渗、水泥土防渗、沥青混凝土防渗、复合土工胶结料

防渗衬砌、聚合物纤维混凝土防渗衬砌、渠道劈裂灌浆防渗等衬砌

形式在灌区渠道防渗衬砌中也有所应用。

(2)断面衬砌形式分类。①梯形断面衬砌：是灌区应用较多的一

种衬砌形式，主要应用于混凝土板全断面衬砌，干、支、斗、农渠

衬砌中都有应用。②u型断面衬砌：主要应用于斗农渠衬砌，抗冻

性和输水条件较好，可采纳专用u型制板机预制u形槽壳或u型衬

砌机现场浇筑。③平底孤角直线边坡衬砌：此种形式的衬砌渠道多

应用在冻胀比较严峻的较大干渠上。由于底宽较大多采纳平底，在

孤角处冻胀较严峻，为了适应冻胀变形，将边坡角作成孤角形式。

④底孤切线边坡复合衬砌：底部为园孤线、边坡为切向直线的衬砌

形式。具有适应冻胀实力较强的特性，多应用于支、斗渠的衬砌。

4.2灌区不同级别渠道衬砌主要应用形式

(1)干渠：主要采纳的衬砌形式有平底孤角直线边坡全断衬砌、

梯形全断面衬砌、塑膜(土工膜)护底碎板浆砌石护坡全断面防渗

衬砌；衬砌采纳的防冻胀措施主要有增加衬砌板厚度、采纳各种形

态的衬砌板、阴坡换填砂砾石、增加坡面排水、增加5、8cm厚聚苯

乙烯保温板、坡角及坡角以上1/3坡面浆砌石齿墙护坡、底部增加

土工膜料等适应或削减冻胀措