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【摘 要】 我国作为历史悠久的农业古国之一，沟渠灌溉在中华文明的发展史上占据着重要地位，而渠道冻胀是寒冷气候灌溉区时常发生的渠基土冻胀现象，并且已经成为灌溉建设的一项技术难题。渠道冻胀破坏是指灌溉区域渠基土由于气温较低发生的体积膨胀顶托衬砌，使已经建好的渠道遭到严重损害，与此同时也会大大降低渠道的使用寿命，削弱渠道的节水效果。本文将会探讨渠道冻胀破坏产生的原因和提出这些问题的解决措施。
【关键词】 渠道；冻胀破坏；原因；防御措施
渠基土发生冻胀现象通常具备以下三个方面的条件：一是灌溉渠道处在持续负温条件的寒冷气候区；二是土壤中自由水和毛细水的大量存在，与此同时会有充足的水分补给通道；三是该灌溉地区自身的土壤物理特征。目前受冻胀发生破坏的渠道主要处于灌溉区，并且以灌溉区的中下游地区为主。这是因为中下游地区地下水较浅、土壤沙粒较细并且土壤中水分充足等满足了冻胀破坏的基本条件，一旦发生持续低温现象，土壤中的水份受涨导致渠基土膨胀而最终发生渠道冻胀现象。
一、渠道冻胀破坏产生的原因
1、地下水对渠道衬层的冻胀
在冬季气温降至O℃以下时，由于渠床土中含水量不同和土壤冻胀量不同将会造成断裂面上各点的冻胀面分布很不均匀，是渠道衬层发生破坏的根本原因。实验一再证明：边坡衬砌层所受的冻胀力是平行于该衬砌层的切向冻胀力，该力大小及正负与渠床土壤含水量沿渠道横断面高度的分布直接相关。当含水量分布为下大上小时，边坡衬砌层会受到横向的压力；当含水量分布为下小上大时，边坡衬砌层将会受到横向的拉力；当含水量分布为上下均匀一致时，边坡衬砌层基本就不会受到压力。与此同时，如果渠道边坡衬砌层和其下的冻层之间存在一定约束力的话，则有很大的可能性出现冻胀力；如果此约束力解除，渠道就不会受到冻胀力的影响。在上文的第一种和第二种的渠道水分布状态下，坡底和渠脚的冻胀程度会大于渠坡上部，就会有如下特点：
一是渠底衬砌板的冻胀破坏会受到边坡的压迫，冻胀破坏表现为中部大两端小的格局，这样就会导致渠道中心出现裂痕。
二是渠坡冻胀变形线稍呈弯曲，曲线拐点位于距坡脚不远处。一方面如果衬砌板与土体间不存在冻结力，上部板将会向上翘起；另一方面如果衬砌板与土体间存在冻结力，当衬砌板受约束不能发生翘起或者弯曲程度低于抗压程度时就会在冻胀处发生很大的弯曲甚至是断裂情况。
三是坡脚两端点的冻胀变形，基本呈直线向上拱起，坡面上各点在冻胀过程中的变形方向，一方面是垂直渠道，即是渠道坡面冻结变形与冻结缘增长方向基本一致；另一方面将会受到渠底冻胀变形方向的影响。渠底两端的冻胀受约束产生的表面冻胀力将对渠坡产生一个分力，这个冻胀分力产生把渠坡向上推移的作用，因此渠坡上各点冻胀力的变形方向将取决于渠底和渠坡的冻胀力及衬砌层抗推力的合力方向。预制砼板和现浇砼板是属于刚性衬砌材料、板体自身较薄而且具有很强的抗压强度，但不均匀变形的能力和抗拉强度较低适应拉伸变形较差。因此，当衬砌板与渠坡间不存在或有很小的冻结力时，坡面衬砌砼板将发生上述的向上推移；当衬砌板与渠坡间存在较大的冻结力时，将会在坡面下部发生折断、隆起、架空等形式。
2、渠道内积水的冻胀破坏
当渠内积水时，由于冰冻层保温和对冻胀渠道变形的保护作用，渠底衬砌板发生冻胀破坏的情况很少发生。冻切应力和冻层保温的联合作用，基土和渠道坡面就会发生脱离现象，导致衬砌体结构发生破坏，最主要的破坏发生在水面附近冻胀变形处。
3、灌溉渠道自身的土质问题
在冷却温度和含水量基本相同的情况下，土壤就会成为各灌溉渠道冻胀程度的重要区分标志。土壤土质如果是粘土，仅仅一些水份混入就会发生剧烈的土壤迁移和冻胀，因此，粘土也被称为最具冻胀特质的土壤；砂砾土被称为最不具备冻土特质的土壤，但当其有较为细密的填充物时，将会发生强烈的膨胀现象。因此，土壤的冻胀与否，在很大程度上是有条件的，但它们的冻胀条件和强度还是遵循一定的规律的。
4、灌溉区温度的影响
温度是发生冻胀现象不言而喻的重要条件。渠道冻胀有一个相对区间，是从冻胀起点开始的（一般是0摄氏度）达到一个冻胀临界点就不会继续产生冻胀现象。
5、渠道土壤壓力的影响
在渠道土壤外围增加压力就可以适当减少土壤冻结点。其基本原理是当外界再一次施压时就会发生土壤水分再次分配给土壤，当压力达到一定的阀值时，土壤就不会发生冻胀现象。与此同时，土壤的盐碱程度也会对土壤的冻胀产生一定的影响。
二、渠道冻胀的防护措施
上文较为系统客观的分析了渠道冻胀发生的原因和影响因素，接下来将会探讨渠道冻胀的防御措施。
1、加固混凝土的方法防护渠道冻胀
混凝土机构自身具有的自重大、刚度强、机构性好等优点，有效降低了基土的含水量并且防止了冻胀带来的渠道破坏。但是加固混凝土自身有成本高、维修难度大、维护成本高的特点且冻胀破裂部位经常发生在应力集中部位，因此，此方法一般适用于地基稳定、高填方的渠道地段。
2、浆砌石的方法防护渠道冻胀
浆砌石的方法一般适用于地层40cm的范围之内，浆砌石的厚度一般是30cm到40cm之间。浆砌石具有整体性较好、抗冻能力强的特点，因此在防冻胀的措施中应用较为广泛，此种方法在水利工程运行中的使用寿命也相对较长。
3、采用弧形渠道断面结构的防冻胀结构形式
梯形横断面由于折角的存在而导致受力不均匀，容易在渠道中部和渠道坡脚发生冻裂现象，而最终导致渠道底部隆起。弧形渠道面自身具有受力比较均匀、过水断面水力条件相对较好等特点比较适用渠道改造。
4、加强渠道工程管理
通过渠道的工程管理能够有效降低渠道冻胀破坏，在渠道工程建设中一方面要保证工程的进度和渠道水利工程的质量，另一方面也要确保渗透层的整体性和完整性。具体操作方法如下：混凝土之间的勾块要密实可靠，沥青砂浆处要达到设计的基本要求；在后期的渠道检查过程中，如有发现裂痕或者断裂处要及时采取相应的补救措施进行精心的处理；在冬季灌溉管理过程中，对水资源进行合理的调度，在冬季来临之前提早结束冬灌，这样就可以有效避免水份积压在渠道内。 5、防渗衬砌技术的应用
水份渗透是渠道冻胀的重要原因之一。近年来，随着科学技术的发展，我国逐渐改进了渠道防渗抗冻技术的措施，其中主要的措施是渠道断面结构形式由传统的梯形断面改为弧形断面，采用复合材料的土工膜、塑膜等进行防渗，将苯板直接放置在土基上保温，这些措施取得了不错的防冻胀效果。
6、更换基土基本结构的防冻胀方法
改变基土基本结构的办法是渠基土的填换，具体操作方法是用大颗粒的土体添加到渠道之中，将渠道内本身的细颗粒挖走。这种换填方法一般工程量较大，换填厚度一般要高于或者大于冻土的深度。这种方法在冻土深度较低的地区尚能够使用，如果是在冻土层颇深的地方使用，通常会有非常大的工程量。从我国目前的防冻胀处理效果来看，任何水利工程都无法回避和解决冻胀三因素，再加上在考虑到经济条件和节省成本的情况下，都是非常困难和难以把握的。因此，在实际的工作中，是将这几种施工因素综合起来进行考虑，即回避一种因素为主加上回避另外一种因素的综合措施来解决防冻胀处理。如在主渠道两侧开挖水沟来分流主渠道的水份之外，还需要对基土进行一定程度的填换，换填砂或者戈壁层加塑膜来进行保温，来最终减少冻胀对渠道的破坏。但是在高地下水位的地方，即使采取了断绝渠道土基中的水份补给依旧难以保证阻止毛细水的上升，因此还必须采取其他相对应的防冻胀补救措施。这样才能最大程度上降低冻胀对渠道设施的破坏。
三、结语
灌溉渠道工程在进入冬季运行的过程中后，渠道就会存在冻胀和地基土冻胀破坏的问题，会使得不少水利工程发生破坏，从而会出现增加农民负担、降低灌溉效率、增加灌溉成本等一系列问题，因此，加强对渠道水利工程的冻胀防御是摆在技术人员面前的一道难题，如何处理好冻胀带来的一系列問题是解决好冬季渠道灌溉的一项重要课题，各渠道灌溉区需要根据各地的灌溉情况因地制宜采取合适的防冻胀措施。总而言之，在科学分析灌溉区域冻胀情况之后，采取相对应的防御措施才能够最小程度上降低冻胀对渠道的破坏，使水利工程真正成为一项惠国利民的工程。
参考文献：
[1]樊甲忍，武华昌，李志强，衬砌渠道冻胀原理及抗冻胀计算[J].科技情报开发与经济2002年第12卷第4期.
[2]建功，水在渠道防渗工程冻害中的作用及防治冻害对策[J]，防渗技术1996.2（2）.
[3]建功，我国渠道防渗工程的冻害及其防治措施[J].防渗技术.2002.6（2）.
[4]张伯平，牟过斌等，渠道衬砌体冻胀破坏机理与防治对策[J].水利与建筑工程学报.2003.
【关键词】 渠道；冻胀破坏；原因；防御措施
渠基土发生冻胀现象通常具备以下三个方面的条件：一是灌溉渠道处在持续负温条件的寒冷气候区；二是土壤中自由水和毛细水的大量存在，与此同时会有充足的水分补给通道；三是该灌溉地区自身的土壤物理特征。目前受冻胀发生破坏的渠道主要处于灌溉区，并且以灌溉区的中下游地区为主。这是因为中下游地区地下水较浅、土壤沙粒较细并且土壤中水分充足等满足了冻胀破坏的基本条件，一旦发生持续低温现象，土壤中的水份受涨导致渠基土膨胀而最终发生渠道冻胀现象。
一、渠道冻胀破坏产生的原因
1、地下水对渠道衬层的冻胀
在冬季气温降至O℃以下时，由于渠床土中含水量不同和土壤冻胀量不同将会造成断裂面上各点的冻胀面分布很不均匀，是渠道衬层发生破坏的根本原因。实验一再证明：边坡衬砌层所受的冻胀力是平行于该衬砌层的切向冻胀力，该力大小及正负与渠床土壤含水量沿渠道横断面高度的分布直接相关。当含水量分布为下大上小时，边坡衬砌层会受到横向的压力；当含水量分布为下小上大时，边坡衬砌层将会受到横向的拉力；当含水量分布为上下均匀一致时，边坡衬砌层基本就不会受到压力。与此同时，如果渠道边坡衬砌层和其下的冻层之间存在一定约束力的话，则有很大的可能性出现冻胀力；如果此约束力解除，渠道就不会受到冻胀力的影响。在上文的第一种和第二种的渠道水分布状态下，坡底和渠脚的冻胀程度会大于渠坡上部，就会有如下特点：
一是渠底衬砌板的冻胀破坏会受到边坡的压迫，冻胀破坏表现为中部大两端小的格局，这样就会导致渠道中心出现裂痕。
二是渠坡冻胀变形线稍呈弯曲，曲线拐点位于距坡脚不远处。一方面如果衬砌板与土体间不存在冻结力，上部板将会向上翘起；另一方面如果衬砌板与土体间存在冻结力，当衬砌板受约束不能发生翘起或者弯曲程度低于抗压程度时就会在冻胀处发生很大的弯曲甚至是断裂情况。
三是坡脚两端点的冻胀变形，基本呈直线向上拱起，坡面上各点在冻胀过程中的变形方向，一方面是垂直渠道，即是渠道坡面冻结变形与冻结缘增长方向基本一致；另一方面将会受到渠底冻胀变形方向的影响。渠底两端的冻胀受约束产生的表面冻胀力将对渠坡产生一个分力，这个冻胀分力产生把渠坡向上推移的作用，因此渠坡上各点冻胀力的变形方向将取决于渠底和渠坡的冻胀力及衬砌层抗推力的合力方向。预制砼板和现浇砼板是属于刚性衬砌材料、板体自身较薄而且具有很强的抗压强度，但不均匀变形的能力和抗拉强度较低适应拉伸变形较差。因此，当衬砌板与渠坡间不存在或有很小的冻结力时，坡面衬砌砼板将发生上述的向上推移；当衬砌板与渠坡间存在较大的冻结力时，将会在坡面下部发生折断、隆起、架空等形式。
2、渠道内积水的冻胀破坏
当渠内积水时，由于冰冻层保温和对冻胀渠道变形的保护作用，渠底衬砌板发生冻胀破坏的情况很少发生。冻切应力和冻层保温的联合作用，基土和渠道坡面就会发生脱离现象，导致衬砌体结构发生破坏，最主要的破坏发生在水面附近冻胀变形处。
3、灌溉渠道自身的土质问题
在冷却温度和含水量基本相同的情况下，土壤就会成为各灌溉渠道冻胀程度的重要区分标志。土壤土质如果是粘土，仅仅一些水份混入就会发生剧烈的土壤迁移和冻胀，因此，粘土也被称为最具冻胀特质的土壤；砂砾土被称为最不具备冻土特质的土壤，但当其有较为细密的填充物时，将会发生强烈的膨胀现象。因此，土壤的冻胀与否，在很大程度上是有条件的，但它们的冻胀条件和强度还是遵循一定的规律的。
4、灌溉区温度的影响
温度是发生冻胀现象不言而喻的重要条件。渠道冻胀有一个相对区间，是从冻胀起点开始的（一般是0摄氏度）达到一个冻胀临界点就不会继续产生冻胀现象。
5、渠道土壤壓力的影响
在渠道土壤外围增加压力就可以适当减少土壤冻结点。其基本原理是当外界再一次施压时就会发生土壤水分再次分配给土壤，当压力达到一定的阀值时，土壤就不会发生冻胀现象。与此同时，土壤的盐碱程度也会对土壤的冻胀产生一定的影响。
二、渠道冻胀的防护措施
上文较为系统客观的分析了渠道冻胀发生的原因和影响因素，接下来将会探讨渠道冻胀的防御措施。
1、加固混凝土的方法防护渠道冻胀
混凝土机构自身具有的自重大、刚度强、机构性好等优点，有效降低了基土的含水量并且防止了冻胀带来的渠道破坏。但是加固混凝土自身有成本高、维修难度大、维护成本高的特点且冻胀破裂部位经常发生在应力集中部位，因此，此方法一般适用于地基稳定、高填方的渠道地段。
2、浆砌石的方法防护渠道冻胀
浆砌石的方法一般适用于地层40cm的范围之内，浆砌石的厚度一般是30cm到40cm之间。浆砌石具有整体性较好、抗冻能力强的特点，因此在防冻胀的措施中应用较为广泛，此种方法在水利工程运行中的使用寿命也相对较长。
3、采用弧形渠道断面结构的防冻胀结构形式
梯形横断面由于折角的存在而导致受力不均匀，容易在渠道中部和渠道坡脚发生冻裂现象，而最终导致渠道底部隆起。弧形渠道面自身具有受力比较均匀、过水断面水力条件相对较好等特点比较适用渠道改造。
4、加强渠道工程管理
通过渠道的工程管理能够有效降低渠道冻胀破坏，在渠道工程建设中一方面要保证工程的进度和渠道水利工程的质量，另一方面也要确保渗透层的整体性和完整性。具体操作方法如下：混凝土之间的勾块要密实可靠，沥青砂浆处要达到设计的基本要求；在后期的渠道检查过程中，如有发现裂痕或者断裂处要及时采取相应的补救措施进行精心的处理；在冬季灌溉管理过程中，对水资源进行合理的调度，在冬季来临之前提早结束冬灌，这样就可以有效避免水份积压在渠道内。 5、防渗衬砌技术的应用
水份渗透是渠道冻胀的重要原因之一。近年来，随着科学技术的发展，我国逐渐改进了渠道防渗抗冻技术的措施，其中主要的措施是渠道断面结构形式由传统的梯形断面改为弧形断面，采用复合材料的土工膜、塑膜等进行防渗，将苯板直接放置在土基上保温，这些措施取得了不错的防冻胀效果。
6、更换基土基本结构的防冻胀方法
改变基土基本结构的办法是渠基土的填换，具体操作方法是用大颗粒的土体添加到渠道之中，将渠道内本身的细颗粒挖走。这种换填方法一般工程量较大，换填厚度一般要高于或者大于冻土的深度。这种方法在冻土深度较低的地区尚能够使用，如果是在冻土层颇深的地方使用，通常会有非常大的工程量。从我国目前的防冻胀处理效果来看，任何水利工程都无法回避和解决冻胀三因素，再加上在考虑到经济条件和节省成本的情况下，都是非常困难和难以把握的。因此，在实际的工作中，是将这几种施工因素综合起来进行考虑，即回避一种因素为主加上回避另外一种因素的综合措施来解决防冻胀处理。如在主渠道两侧开挖水沟来分流主渠道的水份之外，还需要对基土进行一定程度的填换，换填砂或者戈壁层加塑膜来进行保温，来最终减少冻胀对渠道的破坏。但是在高地下水位的地方，即使采取了断绝渠道土基中的水份补给依旧难以保证阻止毛细水的上升，因此还必须采取其他相对应的防冻胀补救措施。这样才能最大程度上降低冻胀对渠道设施的破坏。
三、结语
灌溉渠道工程在进入冬季运行的过程中后，渠道就会存在冻胀和地基土冻胀破坏的问题，会使得不少水利工程发生破坏，从而会出现增加农民负担、降低灌溉效率、增加灌溉成本等一系列问题，因此，加强对渠道水利工程的冻胀防御是摆在技术人员面前的一道难题，如何处理好冻胀带来的一系列問题是解决好冬季渠道灌溉的一项重要课题，各渠道灌溉区需要根据各地的灌溉情况因地制宜采取合适的防冻胀措施。总而言之，在科学分析灌溉区域冻胀情况之后，采取相对应的防御措施才能够最小程度上降低冻胀对渠道的破坏，使水利工程真正成为一项惠国利民的工程。
参考文献：
[1]樊甲忍，武华昌，李志强，衬砌渠道冻胀原理及抗冻胀计算[J].科技情报开发与经济2002年第12卷第4期.
[2]建功，水在渠道防渗工程冻害中的作用及防治冻害对策[J]，防渗技术1996.2（2）.
[3]建功，我国渠道防渗工程的冻害及其防治措施[J].防渗技术.2002.6（2）.
[4]张伯平，牟过斌等，渠道衬砌体冻胀破坏机理与防治对策[J].水利与建筑工程学报.2003.