（一）渠线选择及断面设计
（1）渠线选择。渠线应避免经过高地下水位区，如无法避免，则应尽可能适当抬高渠底，使渠底高出地下水位的距离不小于冻深+临界地下水深Z0（见表5-8），以避免发生开放性冻胀。输水渠道应避免经过灌区，以免灌溉回归水成为冻结过程的补充水源，造成强烈冻胀。渠线还应尽量避免经过高冻胀性土层，有条件时，尽可能走砂砾石地基。
表5-20 渠道衬砌防冻胀措施选择表
（2）渠路林布置。应在渠道与位于地形高处的灌水地块、林带及灌水沟之间，设道路及不灌水的林带，以延长渗径。
（3）断面设计。由于渠道边坡是最易于冻胀破坏的部位，在冻胀地区不宜采用窄深式渠道。
（二）结构性措施
根据近20年的试验和示范工程的成果和经验，总结出渠道冻胀防治的结构性措施有以下几种。
1.整体U形混凝土结构
根据西北和华北一些省区的试验，U形混凝土衬砌渠道主要用于半径不大于1m的小型渠道。大型U形渠道仅在局部地区做了一些工程试验，或在非冻胀地区（如砂砾石地基）中，采用块石或混凝土预制块砌筑，其结构性质已与整体U形混凝土渠道完全不同。根据各省区的应用情况，整体式U形混凝土衬砌渠道可成功地用于Ⅱ类及以下冻胀性地区。此时，在较小的冻胀作用下，U形渠道的变形以垂直整体上抬为主，冻胀量在断面上的分布比较均匀，混凝土裂缝较少。在地基融化后，能较快回落，不会造成衬砌结构的破坏。而在Ⅲ类及以上地区的应用时，薄壁混凝土衬砌已不能适应较大的横向冻胀变形而产生裂缝，变形在冻土地基融化后，残余变形较大并逐年积累，裂缝宽度不断加大而最终破坏。
U形渠道的设计尺寸，对于寒冷易受冻结作用破坏的地区，其厚度应不小于6cm，温和地区可不小于4cm。混凝土标号应不低于C15。为了增加U形断面上部衬砌的稳定性，在圆弧以上的直线部分，宜带有一定边坡，坡度系数可取1∶0.1～1∶0.2。
2.弧形渠底梯形渠道
普通梯形渠道在渠底与边坡衬砌连接处，存在着结构上的约束，而基土冻胀方向不同，因而在渠底以上1/3坡长处常常发生较大的不均匀冻胀，使衬砌板开裂破坏。弧形渠底衬砌渠道的底与边坡的连接较平滑，避免了因梯形渠坡脚处约束作用而造成很大的不均匀冻胀变形，因而可以改善衬砌的不均匀冻胀，减少裂缝。
甘肃靖会总干渠位于黄土地区，基土冻胀性介于Ⅱ类与Ⅲ类之间。原设计为梯形断面，衬砌板裂缝比较严重，每年春季化冻时，常发生衬砌板的滑塌破坏。以后把四泵站附近一段渠道改为弧形底梯形断面，上述问题得到了较好的解决。表5-21是此渠道冻胀量沿断面分布的对比试验。从试验数据可以看出，弧形渠道冻胀总变形并不比梯形渠明显减少，而衬砌线的折角变形则显著减小，特别在渠底部位，从而减少了裂缝。图5-11为两种断面的冻胀量和折角变形对比。
表5-21 弧形渠底和平底梯形断面冻胀量及衬砌折角变形对比表（1982年度）
图5-11 弧形底和平底梯形断面冻胀变形沿断面分布对比（单位：cm）
3.梁板式衬砌渠道
梁板式渠道是把预制梁安放在土基上并加固定，再将带肋的混凝土板架在梁上，见图5-12。这样做一是能使衬砌板的重量通过梁集中作用在基土上，增大了对基土的压强，因而能在一定程度上抑制冻胀；二是在衬砌板与基土之间有空气保温层，对减少冻深和冻胀有一定作用。这一断面结构曾在甘肃省景泰电力提灌工程上进行了试验。在测验中发现，板的冻胀量始终比板下基土面的冻胀量小1.3～1.9cm，相对减少24%～33%。经计算，梁下荷载压强约0.18×105Pa。但这种结构施工比较麻烦，大量推广有一定困难。
图5-12 混凝土梁板式衬砌渠道断面（单位：cm）
4.特殊混凝土衬砌结构
特殊混凝土衬砌结构主要有中部加厚板、肋形板和楔形板等。这些结构曾经在陕西宝鸡峡、冯家山等灌区使用，取得较好效果。它们的主要原理是针对渠道边坡下1/3处衬砌易于破坏的特点，加强这些部位的强度来抵御冻胀破坏的措施，它们只能适用于冻胀性较低的地区，如Ⅱ类及以下的地区。
（三）隔水措施
隔水措施是依靠降低土壤中的水分来减轻冻胀的措施。大量试验研究证明，在封闭系统中，当冻土含水量低于某一个临界值时，冻胀就不发生，该含水量称为起始冻胀含水量。根据试验，起始冻胀含水量约为土壤塑限含水量的0.7～0.9倍。衬砌渠道虽然能比未衬砌前大大减少渗漏，但还是有一定的渗漏发生，而即使在较低的渗漏强度下，这些水分也足以使土壤水分积累到引起冻胀的程度。尤其是冻胀地区的预制混凝土衬砌，在经常发生的冻融作用下，会在接缝处产生许多细裂缝，成为渗漏通道。从20世纪70年代起，新疆、甘肃等地采用在混凝土下加一层塑料薄膜的双层衬砌方案，较有效地解决了Ⅲ类及以下地区的冻胀问题。根据对比试验，在预制混凝土衬砌板下加一层塑料薄膜，可进一步减少渗漏损失约90%，使土壤的冻前含水量降低5.4%～6.7%，最大冻胀时的含水量降低11.8%～18.7%；减少最大冻胀量26%～45%；阴坡冻胀率从原来的6%～7%减少为3%～4%。
隔水措施的适用范围：主要是在地下水埋藏很深（其判别标准见本章第二节第二部分的（一）中之（3）），渠床无其他方向水分补给来源，渠床水分补给主要来自渠道水的渗漏时，可适用本项措施。根据试验成果和工程实践，复合衬砌减轻冻胀措施可以适用于Ⅱ类冻胀地区，当同时采用弧形底断面时，也可用于Ⅲ类地区；在复合衬砌的膜料下，再铺设砂砾石层时，可以在更强冻胀地区应用。需要注意的是在地下水位较高或当渠道土基有旁侧补给水源时（例如在渠道旁有冬灌地）以及存在着除了渠道水以外的其他水分补给源，例如在入冬前降雨较大，从堤顶补充渠床大量水分时，效果不理想。
复合衬砌的上部刚性衬砌板可按一般要求设计。防渗膜料可采用厚度0.2mm左右的聚乙烯或聚氯乙烯薄膜、涂层厚不小于500g/m2的沥青玻璃丝布油毡等。为防止上部刚性衬砌体对膜料的损坏，在两层之间应设过渡层。过渡层不宜太厚，主要起找平的作用，可采用厚3～4cm的低标号水泥砂浆，在重要性较低的渠道上，也可采用草泥。但过渡层不宜用砂层，因为当刚性衬砌发生裂缝后，如渠道流速较大时，水流可能通过裂缝淘刷砂层，而使上部衬砌架空而破坏。
考虑到膜料仍有一定的渗漏量，为了排除这部分水分，还可以采取膜料下再加铺薄层砂，厚度可按一般砂砾换基厚度的1/2到1/3（砂砾换基厚度的确定见下节）。根据试验，在塑料薄膜下铺设40cm砂砾石可减少冻胀量的59%～70%，而单纯的40cm砂垫层仅能减少冻胀40%左右。因此刚性衬砌下设塑料薄膜及薄层砂，可作为强冻胀地区渠道衬砌防冻胀措施。本措施应用于改建旧渠时，如渠床内有持水性很强的粘、壤土时，最好对渠床先翻晒夯实，降低水分。否则在运行初期仍可能有较大冻胀，但以后将逐年减小。
［工程实例］
（1）甘肃民勤红崖山灌区一干渠。基土为砂壤、轻壤，原来为混凝土预制板衬砌渠道，未采取防冻胀措施。运行几年后，破坏十分严重。在改建中，先在渠床上铺塑料薄膜，再衬原来的预制板，施工中严格注意质量。建成运行后，冻胀大为减少，断面基本稳定。
（2）甘肃玉门镇南干一分干渠。基土上段为砂砾层中夹粘、壤土层，下段以含土的致密砂砾石层为主。上段采用混凝土（预制或现浇）衬砌板下铺沥青玻璃丝布油毡，并设薄层砂砾排水；下段无砂砾排水，断面见图5-13。建成运行后，情况基本良好。在修建时，上游有平行的土导流渠，在运行第一年、第二年，冻胀量一般达到3～9cm，曾观测到最大冻胀量达17cm，基土中有粘壤土夹层，冬季在其中有冰夹层，厚2.3mm。运行数年后冻胀变形减少为毫米级，目前渠道稳定。
（3）民勤总干渠一分水闸前1km渠道。总干渠长60km，设计流量35m3/s。基土为壤土及粘土，属于Ⅲ～Ⅳ类冻胀地区。原设计为混凝土板下铺设沥青玻璃丝布，过渡层采用细砂，厚10cm。运行时仍发生冻胀破坏，最大冻胀量达10cm以上。衬砌发生多处开裂，水流通过裂缝淘刷砂层，造成衬砌塌陷被冲毁，渠道停水。改建时采取了在沥青膜下加设砂垫层，厚60cm。同时沥青膜与混凝土板之间采用3cm的50号砂浆作过渡层。该渠其他采用砂砾石换基措施的渠段，最大换基深度达140cm。改建后渠道运行稳定，以后该总干渠许多渠段都采用了此设计方案。
图5-13 甘肃玉门南干一分干渠衬砌设计图（单位：cm）
（a）上段；（b）下段
（四）砂砾石换基措施(www.xing528.com)
采用非冻胀性的砂砾石置换冻土层是我国渠道防冻胀的一项常用措施。只要砂砾石不饱和，或饱水砂砾石有排水出路，则本身属于非冻胀性土，冻结时不会产生冻胀。同时，如果冻胀性土壤没有全部被砂砾石置换，下面残留了一定厚度的冻胀性土层，则砂砾石层实际上成为这层冻胀性土的冻结缓冲层。渠道停水前进入土层内的水分，可以在冻结锋面穿过砂砾石层时排除或排除一部分。因此如果下伏土层排水性好，没有地下水位顶托，则可以只置换部分土层，以减少工程量。但如土层排水速度很慢，或者存在着浅地下水，渠道渗漏进入土层的水根本无法排除，则一般而言，需要置换全部或绝大部分冻胀性土层。因此换填深度应与土层性质和地下水条件有关。
1.换填厚度准则
根据有关省区对不同土质、不同地下水条件的渠道不同换填深度的多种条件，进行了长期的观测研究。按照前面所讲的允许冻胀变形量控制，分析得出了不同条件下需要的换填比。其结果已为渠系工程抗冻胀设计规范采用，换填砂砾石层厚度可按下式计算。
式中：H为换填砂砾石层厚度，m；Hd为换填部位的工程设计冻深，m；ε为换填比，见表5-22；δ为衬砌板厚度，m。
表5-22 砂砾换基设计换填比
2.换填材料质量准则
根据大量室内外试验成果，粗粒土在含有一定量的细颗粒时，将变成冻胀性土。观测表明，该细粒含量与地下水位有关，地下水位浅时的极限含量比在地下水位深时要低。根据这些试验资料，规范规定在不同地下水埋深下，作为换填材料的砂砾石的细粒含量（d＜0.05mm的含量）应不大于表5-23规定的上限值。砂砾料换填材料的质量要求主要控制含泥量，对砂砾料本身级配可不控制。实践及观测都证实，只要对含泥量加以控制，粒径为0.17mm左右的风积沙也可有效地防止冻胀。
表5-23 换填用砂砾石内细粒含量上限值
3.防止垫层失效的措施
实践中发现，渠道运行一段时间后，垫层本身也会发生冻胀。这一方面是由于施工质量控制不严，但在很多情况下也是由于垫层在运行中被“污染”或者没有设置必要的排水。垫层的“污染”是由于渠道中含泥水流通过裂缝把细颗粒带入砂砾石层造成的，污染砂砾料，使其失去防冻胀作用。这种“污染”多发生在垫层的上部。如甘肃玉门镇昌马北干渠，1964年改建，采用80～100cm厚砾石垫层防冻胀，砾石经过严格筛分。以后仍产生冻胀并逐年加重。1982年取渠道内垫层样分析发现，垫层表层几十厘米内，有大量泥沙堵塞空隙。此时，垫层已成为冻胀性土。为防止这一情况发生，可在砂砾石层顶部铺设细砂过滤层，或用土工布铺在垫层表面再铺衬砌板。当垫层下土层中有隔水层，入渗水分不能自然排除，此时应设排水，排水形式参见图5-14。
（五）土基压实措施
前面已经介绍过，如果土壤在压密固结过程中水分不能排出而始终保存在土中时，土壤压实会反而使冻胀加重。只有当土壤干密度达到一定值时，土的冻胀性才会随土的干密度增大而减小。如果通过压密使冻胀强度控制在1%时，则此时的干密度可称为“安全冻胀干密度”。《渠系工程抗冻胀设计规范》根据有关试验成果，规定当采用压密措施防冻胀时，应满足土的压实度不低于0.98、干密度不小于1.6t/m3和不小于天然干密度1.05倍三项要求。
要达到这样高的干密度值，有时需要采取一些特殊压密措施。甘肃靖远三场塬电灌干渠在半挖半填的松散回填土上，曾用强力夯实法进行加固，长200m。土的最大干密度达到1.8t/m3，运行后未发生湿陷和冻胀破坏。
图5-14 砂砾石垫层下的排水设计图
（六）隔热措施
隔热措施是在衬砌板以下铺设导热系数很低的材料，可减轻或完全避免土层的冻结，从而防止冻胀破坏。常用的隔热材料为聚苯乙烯泡沫塑料板，其防冻效果很好，但价格较贵。山东、北京曾采用过珍珠岩混凝土（砂浆），降低了价格，但防冻效果不及聚苯乙烯泡沫板。
确定隔热层厚度的方法如下：
（1）解析方法。按式（5-12）及式（5-18）可计算在铺设保温层以后的残留冻深值，当已知残留冻深限制后，可用试算法确定保温层的厚度。
（2）经验冻深削减比法。考虑到保温层的作用机理与砂砾换填层相似，因此设保温层后要求削减的冻深比可近似按换填比（表5-22）确定，于是可计算要求削减的冻深值，如下式：
式中：ΔH为要求削减的冻深值。
聚苯乙烯泡沫塑料保温板厚度按式（5-51）计算：
式中：δ为保温板厚度；k为系数，对聚丙烯泡沫塑料［导热系数不大于0.5kJ/（m·h·℃）］，阳坡可取8～12，渠底取9～13，阴坡取13～15。
（七）其他工程措施
（1）架空式渠槽。架空渠槽可适用于强烈冻胀地区，有良好的防冻胀效果，但造价很贵。它的设计类似于渠系建筑物中的薄壁渡槽。下部支承结构可采用重力式墩或深桩基。重力式墩应核算基础底面残留冻土的法向冻胀力作用下的稳定性。深桩基的抗冻胀设计见本章第三节。
（2）座槽与暗管。座槽是钢筋混凝土的U形槽或矩形槽，仅在底部及下部1/4～1/3深度处用土壤回填支撑，上部深度混凝土板脱空，这种设计可减轻对渠道边墙的切向冻胀作用。暗管埋设在冻土层以下，可完全避免冻胀危害。
（3）柔性衬砌。在强冻胀地区，当渠道流速较低时，可采用柔性膜料防渗，在膜料上复土作保护层。由于膜料柔性好，不会受冻胀破坏。此时主要技术问题是如何稳定边坡，特别是在冻融作用下边坡更容易失去稳定。土的厚度不应少于30cm；应设计采用比一般塑料薄膜防渗渠道更为平缓的边坡系数；采取较陡的膜料铺设坡度；流速应不大于0.6m/s。对于间歇性过水的支渠，可使用草泥抹面保护层代替填土保护层。有条件的地方，可使用砂砾石做保护层，流速可提高到0.8～1m/s。对于两旁种有树木的渠道，膜料可只铺设半坡或1/3边坡，上部不防渗，渠堤上植树固岸。
（4）用土工织物隔断毛细管水防治高地下水位地区的冻胀。国内外均有报道，把土工织物铺设于冻深以下、地下水位以上，对于减少地下水对冻结锋面的水分补给，有较大作用。但此项措施要先挖除冻深范围内的土，再埋设土工织物，然后再回填土，工程量较大。目前仅处于试验阶段，尚未得到实际应用。
（八）管理措施
合理的渠道管理运行对防治冻胀破坏有十分重要的作用，应把它至少看得与工程性防冻胀措施一样重要。在冻胀地区的渠道，应注意以下问题：①合理确定冬灌停灌日及春灌开灌日。停灌日应比气温稳定下降通过0℃日提前7～10d，开灌日不早于气温稳定回升通过0℃日；②每年春秋两次维修裂缝，不使衬砌变形恶化；③在进入负温半月之前，停止渠道附近地块、林带的冬灌和沟渠过水；④定期定点监测及调查衬砌冻胀变形。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
