渠道防渗工程产生冻胀的原因是由于水分渗入渠基土的孔隙和毛细孔内，在负温下，孔内的水开始结冰并膨胀约9%，从而对其周围的基土产生膨胀力，当这个膨胀力超过基土自身的黏结力后，使得渠道基土发生冻胀破坏。常见的冻害有裂缝、滑塌、剥蚀、错位等形式。由于渠道的冻胀问题是由水分引起的，故从某种意义上来说，防渗和抗冻胀实质上是一个问题的两个方面。对于冬季不行水的渠道，其冻害主要与渠基土的土质、水分、温度和渠道防渗衬砌结构形式有关。
我国从20世纪60年代即开始了研究，取得了一些成果。在材料方面采用混凝土、沥青混凝土、塑膜、油毡、水泥土、灰土等不同措施;在渠道断面形式方面有U形、弧底梯形、弧脚梯形等;在结构形式方面研究出肋梁板、楔形板等特殊板形，成功地采用板与膜料及保温材料防渗抗冻胀结构形式等;在防冻胀措施和机理方面，基本上掌握了冻胀、冻结规律与有关参数，并得出了适应、削减等多种防治措施;在施工机械方面主要推出了小型U形渠道混凝土衬砌机以及喷射混凝土衬砌系列设备等。在渠道抗冻胀结构形式、抗冻胀新材料从大型渠道机械化施工方面，仍需进一步研究。
(一)渠道冻胀破坏的严重性
在我国西北、华北、东北等广大的寒冷地区，渠道防渗工程普遍存在着严重的冻害问题。据陕西省的统计资料，混凝土渠道防渗工程其渠道阴坡的平均冻胀率为75.3%，阳坡为27%，渠底裂缝多为沿纵向分布，且在渠底中心附近。而青海省万亩以上的灌区，近500 km的干、支渠防渗工程中，发生冻害的占50%～60%。由于冻害使渠道防渗工程寿命缩短，降低了灌溉效益，增大了管理和维修的支出，严重时还可导致工程报废，故全国各灌区每年用于渠道维修的费用十分惊人。
(二)渠道抗冻胀设计原则的转变
借鉴国外经验和我国的实际情况，在渠道防渗工程设计中，已逐步从单纯“抵抗”转变为“允许一定冻胀位移量”的设计标准，提出了“适应削减冻胀”的防冻害原则和技术措施，大大降低了工程造价，目前已研究和基本掌握了影响冻害的因素及规律，并颁布实施了SL23－91《渠系工程抗冻胀设计规范》。
(三)渠道抗冻胀新型结构形式
为了使渠道具有回避、削减和适应渠基冻胀的能力，应合理设计和确定渠道断面形式和衬砌类型。各地经过大量的试验，形成了一些适合当地条件的防渗抗冻胀结构形式，如矩形、梯形(弧底坡角梯形、弧形坡角梯形等)、弧形和U形等结构形式。
1.混凝土U形渠道
(1)防渗效果显著。小型混凝土U形渠道的渠道水利用系数可达0.97～0.98，由于U形渠道比梯形的混凝土渠道湿周短，流速快，裂缝少，因而输水损失比梯形衬砌渠道小。
(2)水力条件好，流速快。U形渠道下部为半圆曲线，符合水流的自然特性，近似最佳水力端面。由于没有传统梯形断面两坡脚的死角，流速分布较均匀，无涡流、回流现象，湿周短，水力半径大，因而U形断面较梯形断面流速快，不仅提高了渠道输水能力，有利于缩短灌溉周期，而且增大了水流挟沙能力，有利于引用高含沙水灌溉。渠道不易产生淤积现象。
(3)抗外力性能好。U形渠道下部的半圆土槽处于稳定状态，上部直线段土壤侧压力较小，混凝土砌体下部为反拱，整体性好。在地基土壤冻胀力作用下，能适应整体上抬，可充分利用混凝土良好的抗压性能，因而，U形渠道适应基础冻胀的性能较梯形衬砌好，其裂缝破坏现象也比梯形渠少。
(4)渠道占地少。混凝土U形渠道的渠口窄，渠道占地面积仅为梯形渠道的1/4～1/2，而且流量愈大，相对梯形渠道来说节省的土地愈多。
(5)省工省料。混凝土U形渠道湿周短，衬砌材料用量相对少，投资也较少，一般比混凝土梯形渠道省料25%～30%。此外，由于U形渠道具有较好的抗冲性能，可用于地面坡度较大的渠段;减少修建跌水、陡坡等衔接建筑物，一般可节省建筑物材料费用40%～50%。
(6)便于管理。混凝土U形衬砌渠道冬季行水两岸不挂冰，通过渠系建筑物浮冰不壅塞。另外，整修堤岸、补修裂缝等维护渠道的工作量大为减少(一般中、小型渠道，每公里每年仅需要10～20个工日)，较混凝土梯形渠道节省管理劳动力50%～70%。
利用机械挖U形土槽井用衬砌机浇筑混凝土，能保证衬砌厚度均一，有利于提高衬砌质量和施工效率。目前，批量生产的机械设备有:KU－50型开渠机，可与D40型衬砌机配套使用。KU－80型开渠机，可与D40、D60、D80型衬砌机配套使用;JKU－180型开渠机，适用于流量2～3m3/s的U形渠道土槽开挖。
近年来，我国推广应用了弧形坡角梯形、弧底坡角梯形等渠道抗冻胀结构形式，取得了较好的防渗抗冻胀效果，但施工技术尚不完善。
2.新型渠道连锁板衬砌结构形式
它是在预制混凝土衬砌板时预先设置连锁结构，在安装衬砌板时将其连成一个整体使渠道衬砌结构具有一定的可变形性，能适应冻胀变形的特点。当渠道基土冻胀抬高时，衬砌板受顶托跟着一起变形，但不会单独塌陷，防止刚性衬砌体受冻胀力而遭到破坏。
3.复合抗冻胀结构形式
实践证明，采用单一的防渗材料很难达到理想的防渗抗冻胀效果。近年来，随着防渗膜料的发展，采用了复合材料抗冻胀的结构形式，即采用柔性膜料作为防渗层，用混凝土等刚性材料或土料作保护层，保护膜料免遭刺破，防止膜料受到光的照射而老化，起到了延长工程寿命的作用。
据试验观测，复合结构的渗漏量只是现浇混凝土防渗的20%，有很好的防渗作用;抗冻胀性能好，膜料防渗层可以保温，降低了渠基土的水分，可以减小冻胀破坏;混凝土保护层可以由10 cm减至4～8 cm，从而使工程造价得到降低。
4.混凝土空心板衬砌结构
出于混凝土空心板的厚度大于同方量的混凝土实心板，又在迎水面增加了Φ4钢筋2－10根，抗弯截面和抗弯强度增大，且空心板有一定尺寸的空腔，将空心板的两端封闭后，空腔内的空气不易对流，空气本身是热的不良导体，故可以对基土起到保温作用，避免或减少了渠基土的冻胀破坏。
除了以上各种渠道抗冻胀结构形式外，也可以采用诸如对冻胀大的渠基土用冻胀小的渠基土进行置换，或设置泡沫空心板来解决渠基土保温材料问题。曾经采用的有珍珠岩、膨胀蛭石、岩棉等为主体，再加入水泥、石膏等胶结材料制成各种形式的保温制品。近年来，国内外研究出了用高分子聚合物来制造不同的防冻胀材料，如泡沫板、织物布膜等，并用其作铺垫，以及排水导滤材料等工程措施来达到削减冻胀的目的。应用高分子材料作为渠道防渗的主体比传统的浆砌石、混凝土护坡防渗技术防渗效果好、成本低、适应性强。高分子防渗材料具有质轻、适应变形性能好、耐腐蚀、渗透系数小的特性，以及运输和施工方便、造价低的特点，尤其是加糙、宽幅、耐老化、复合高分子膜料的产业化生产，拓宽了该技术的实用性和应用范围。
国外在防冻胀技术研究方面的技术现状与我国基本相当。如日本为混凝土、沥青混凝土、油毡类膜料等，以后多用钢筋混凝土矩形渠槽，在防止冻胀破坏方面又配以砂砾石换填和保温材料等，其设计指导思想是:“一劳永逸”。美国也是采用混凝土、沥青混凝土、砂砾石保护下的膜料以及压实土防渗等梯形渠道措施，但其施工机械化程度高，这是我国今后需加大研究和推广应用的方面之一。
(四)渠道防渗抗冻胀新材料
目前，渠道防渗技术由单一防渗材料向高分子复合防渗材料、由单一防渗结构形式向复合防渗结构形式发展，国外发达国家施工基本实现机械化。渠道防渗新材料方面，国外发达国家在土工合成材料、土壤固化剂等方面取得了许多研究成果。
1.土工合成材料黏土垫
土工合成材料黏土垫(GCL)，是一种新型的复合土工合成材料，它是在压实性黏土衬垫(CCL)的基础上发展而来的。GCL最早用于工程是在1986年美国的一座垃圾填埋场衬垫系统中。大约在同一时期，德国也研究应用了另一种GCL产品，并成功地应用于渠道防渗、运河衬垫系统、垃圾填埋场衬垫系统等，均取得较好的防渗漏效果。GCL的结构组成是通过两层土工合成材料之间夹封膨润土粒，通过针刺、缝合或融合而成，也有的GCL产品只有一层土工膜，其上有用黏合剂黏合的一层薄薄的膨润土。GCL是利用膨润土的膨胀性防渗、利用土工织物来承载和护面的结构形式，它与土工膜同属土工合成材料，在渠道防渗应用中除具有土工膜的所有优点外，还具有的优点是:①柔性较好，抗张应变的能力强，当张应变达20%时，其渗透率不增大;②具有极强的自愈合功能，由于膨润土具有遇水膨胀性，它会在土工织物刺破处自我愈合，同时上下层土工织物在针刺或缝合纤维的作用下也约束了膨润土的迁移，进—步提高了自愈合能力;③抗干湿循环和抗冻融循环的能力强，GCL受热后会出现干缩现象，但复水后出现的裂缝会自动闭合，且渗透系数不变。经冻融试验，其抗冻能力也较强;④比土工膜搭接方便，安装简单，施工速度快等。
2.土壤固化剂
土壤固化剂是20世纪发展起来的新型材料，将其加入土壤中，可增强土体憎水性，降低土体水的冰点，阻止或减弱土体冻结时的水分迁移，从而减轻或消除冻胀，提高了土体的防渗抗冻性能。土壤固化剂应用于渠道防渗工程上，具有可就地取材、工程造价低、施工简单方便、防渗抗冻效果较好等优点，近年来在国外得到广泛的研究和应用。
土壤固化剂按照其固化土壤原理可分为电离子类和水化类土壤固化剂。电离子类土壤固化剂是由多种强离子化学剂组成的水溶性材料，其与土壤混合后，通过电离子交换，改变了土壤中水分子和土颗粒电离子特性，破坏了孔隙毛细等结构，在压力作用下，孔隙中游离的水分子、气分子被挤出，使土颗粒黏结，从而提高土体的抗压强度和抗渗抗冻性能，适用于颗粒较细的壤性土。水化类固化剂多为固体粉末水物质，加入土体后经过压实，固化剂与土壤中水分子发生水化作用，实现水硬性反应，提高了土体的强度和防渗抗冻性能，适用于砂石类土壤。
固化土的物理力学性能随土壤性能、固化剂类别及掺量、含水量、施工条件等有所不同，一般强度为1 MPa～10 MPa。固化剂用于渠道防渗，其抗压强度和抗渗较好，但抗冻性较低。在渠道防渗应用方面，提高土壤固化剂的抗冻性和耐久性是今后研究的方向。消除冻胀，提高了土体的抗渗抗冻性能。
3.用纳米技术对防渗抗冻胀材料进行改性
当某些材料粒子达到1 nm级附近时，就会产生既不同于大尺寸宏观物体的性质，又不同于微观粒子的原子、分子性质的具有奇异特性的介观材料——纳米材料。它具有匪夷所思的巨大比表面积(200 m2/g)，因而有极高的表面化学活性等优良性质，这对于提高水泥的水化速度和程度有益。进而对混凝土的抗渗和抗冻胀性有所改善。
当前，纳米技术在国民经济其他部门的应用方兴未艾。例如，已出现纳米涂料、纳米塑胶跑道及纳米级防水微粉等。国内外建筑业已开始利用纳米材料改进混凝土的性能研究、并应用于高速公路施工中。结果表明，可显著提高混凝土的耐久性，抗冻性可提高20倍。在渠道防渗方面，已开始研究在不显著提高成本的情况下改进混凝土的防渗抗冻性能。
另外，用纳米材料对普通塑料进行改性，制成的新型复合土工膜具有有机和无机的特点，其厚度仅为普通薄膜的3/4～2/3，可降低工程造价。
［1］Hewit R D，Daniel D E.Hydranlic conductivity of Geosynthetic Clay Lines after Freeze－Thaw.Geotechnical and Geoenvironental Engineering，ASCE，1997，127(4):305～313.
［2］Koerner RM.Geosynthetic Clay Liners，PartOne:An overview.Geotechnical Fabrics Report，1996，149(4):22～25.
［3］LaGatta M D，Boardman B T，Cooley B H，et al.Geosynthetic Clay Liners subjected to differential settlement.Geotechnical and Geoenvironental Engineering，ASCE，1997，123(5):402～410.
［4］何武全，邢义川，蔡明科，等.渠道防渗抗冻胀新材料与新技术.节水灌溉.2003(1):4～6.
［5］何武全.我国渠道防渗工程技术的发展现状与研究力向.防渗技术，2002(1):31～33.
［6］建功.我国渠道防渗工程的冻害及其防治措施.防渗技术，2002，8(3):1～4..
［7］康绍忠.西北地区农业节水与水资源持续利用.北京:中国农业出版社，1999.
［8］李安国，曲强.渠道防渗工程技术.北京:中国水利电力出版社，1998.
［9］李安国.我国渠道防渗工程技术总述防渗技术2000(1):1～4.
［10］李龙昌，王彦军.管道勒水工程技术.北京:中国水利水电出版社，1998.
［11］马耀光，张保军.旱地农业高效节水与灌溉技术.北京:化学工业出版社，2011.
［12］山仑，康绍忠，吴普特.中国节水农业.北京:中国农业出版社，2004.
［13］童长江，管枫年.土的冻胀与建筑物冻害防治.北京:水利电力出版社，1985.
［14］邢义川.现代渠道与管网高效输水新材料及新技术.郑州:黄河水利出版社，2004.
［15］岳跃真，郝巨涛.水工沥青混凝土防渗技术.北京:化学工业出版社，2007.
［16］张立德.纳米材料和纳米结构.北京:科学出版社，2002.
［17］中华人民共和国水利部.渠道防渗工程技术规范(SL352—2006).北京:水利电力出版社，2006.
［18］中华人民共和国水利部.渠道防渗工程技术规范(SL18—2004).北京:水利电力出版社，2004.
［19］中华人民共和国水利部.渠系工程抗冻胀设计规范(SL23—2006).北京:水利电力出版社，2007.
［20］周正兵，王钊.用于渠道防渗的两种新型土工复合材料.防渗技术，2001(3):1～5
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