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【摘 要】探讨了宁夏渠道防渗衬砌的意义，对渠道进行防渗衬砌能够有效节约水资源，提高经济效益。同时，防渗衬砌渠道的冻害不容忽视，详细阐述了衬砌渠道的冻害类型，针对不同冻害的形式，提出了防渗渠道防治冻害的措施。
【关键词】宁夏；渠道；防渗；冻害；措施
1.宁夏渠道防渗衬砌的意义
宁夏水资源十分贫乏，水资源指数排在全国最末。全区地表水资源8.89亿m3，地下水资源25.3亿m3，扣除地表水与地下水的重复计算量23.7亿m3，水资源量为10 .49亿m3。按照黄河水利委员会的规划方案，分配给宁夏年用黄河水量为40亿m3，现已实现利用34亿m3左右。2004年宁夏总用水量87.95亿m3，其中引黄水量66.0亿m3，比2003年特殊千旱年份增加22.1亿m3，比2002年正常年份减少7.5亿m3，减少10.2%[1]。
由于渠系年久失修，漏水渗水严重，渠系水有效利用率低，引黄区为0.43，扬黄区为0.63。水稻毛灌溉定额和水浇地毛灌溉定额大大超过作物实际需水量。大水漫灌还引起了土壤的盐渍化，使得每耐水粮食产量变低，仅为0.31kg。因此，实施节水灌溉技术，对渠道进行防渗衬砌能够有效节约水资源，提高经济效益。
1.1 增加了经济效益
渠道防渗后减少了输水损失，与土渠输水相比，从水源取等量的灌溉水可以灌溉更多的农田，即如果灌溉同等数量的耕地，渠道防渗所需建设水源工程的投资比土渠少得多。渠道采用防渗措施后，用其节约的水灌溉，每亩地的投资约为建库蓄水灌溉每亩地投资的1/3。渠道防渗还可以节约管理费用，实践证明用刚性材料防渗后，可以减少管理养护费用70%；混凝土防渗渠道的管理养护费仅为同流量土渠的1/3。
1.2 防止土壤盐碱化及沼泽化
渠道不采用防渗措施，不仅因渗漏而损失大量的水，而且提高了地下水位，导致灌区盐碱化、沼泽化。据调查，引黄灌区没有采取防渗及排水措施，不到两年的时间，因地下水上升，使渠道两岸几千万亩耕地盐碱化；。渠道防渗后，这些现象即告消失。此外，渠道防渗后，还可以免去排水工程所需的投资[2]。
1.3 防止渠道冲刷、淤积及坍塌
渠道防渗工程，除防渗作用外，还有防冲、防淤、防坍塌，稳定渠道，保证输水安全的作用。我区引黄灌区，因水的含沙量大、比降小、流速小，一般土质渠道容易淤积，每年清淤工作量很大。由于防渗渠道糙率小、流速大，输水时间可以缩短30%～50%。这对于大型灌区和干旱季节，其意义尤为重要。
渠道衬砌后有利于其边坡的稳定及抵御雨水的侵蚀。尤其是傍山渠道，因渠线长，地质复杂，裂缝发育，渠床不稳定，输水灌溉中经常发生决口、滑坡等事故，造成巨大损失。
由此可见，探索和推广渠道防渗技术对我国农业的可持续发展，确保粮食安全具有重要的现实意义。
2.防渗衬砌渠道冻害类型
2.1 渠道防渗材料的冻融破坏
不同防渗材料修建的渠道防渗层本身，除膜料防渗层外，均含有或多或少的自由水，此种水在负温气下结冰后，每1cm3体积增大0.09cm3；尤其是防渗层一般具有一定的吸水性，加之渠道防渗工程经常处在有水的環境中，因此，防渗层又吸人了一定量的水，而此部分水在负气温下结冰后，每1cm3体积则为1.0gcm3。因此，由于防渗层本身原有的水或吸（渗）人的水，在负气温下结冰后体积的膨胀使防渗层强度降低，结构破坏，产生裂缝，甚至溃散。如为土料（素土，灰土、三合土、水泥土等）防渗时，则会因防渗层中水结冰后体积的增大，而使防渗层隆起和鼓胀。在次年消融后，因含水量很高，从而发生渠坡失稳滑塌和表面剥蚀等现象[3]。
2.2 渠道中水体结冰造成防渗工程的破坏
当渠道因运行管理的要求，在负温期间通水时，渠道内的水体将发生冻结。起初只是形成岸冰，在特别寒冷或严寒条件下，岸冰逐渐向中心扩大，逐步连成一体，表面封冻。此后，冰层逐渐加厚，对两岸衬砌体产生冰压力，造成衬砌体的破坏，或者在冰推力作用下，砌块被推上坡，发生破坏性的变形。同时，当渠水面封冻时，上游流来的浮冰块或冰屑团，部分钻到冰面以下，当来冰量大于排冰能力时，冰块及冰屑团就将在某个断面的冰面下积累，减少过水断面，逐渐演变到断面的完全封堵，形成冰坝。此时一，水流将漫溢渠顶，造成渠堤决口，或者水从衬砌体背后流入地下，带走基土中的细粒，造成渠床土壤中的空洞，使衬砌塌陷破坏。因此，渠道在严寒地区进行冬季输水，要十分谨慎，采取多方措施，以保安全。
引水式电站和调水工程的渠道，常需在负气温下输水运行。此时渠水即会结冰。开始时只是冰屑和小冰块，随水流而动，它会像刀片一样，反复撞击和切割水面变化区渠坡的防渗层，使其受到不同程度的破坏。尤其是在为土料防渗层时，此一破坏使渠坡形成一纵向的，一定深度的切割槽，翌年消融以后，槽上的土体即会失稳滑落。继而在严寒的气温下，冰屑（冰块）先与渠坡冻结形成岸冰，再向渠中心延伸而形成冰层，水在冰层下运行。如上游水中的来冰量大于排水量时，冰屑（块）将积于某一渠道断面处，使过水面减少，如此继续，渠将被冰封堵，形成冰坝，即会造成水源漫溢，甚至溃渠的事故。同时，冰层的膨胀，又会因其冰推力而使渠坡防渗层移位和破坏。在来年消融后，当渠中部冰层融断，仅留与渠坡冻结在一起的悬臂式冰层，且又无水浮托时，此悬臂冰体因其重力而会将防渗层拉起、错位而破坏[4]。
2.3 渠道基土冻融对防渗工程的破坏
当渠道防渗工程的基础土壤为冻胀性土，且其含水量大于起始冻胀含水量时，在冬季负气温的作用下，由于土渠基中水冻结后体积的增大，而使土渠基发生隆起，称其为冻胀变形。当冻胀变形超过防渗层的允许变形时，或因冻胀而产生的冻胀力超过防渗层的抗裂或抗拉强度时，防渗层即会裂缝破坏。尤其严重的是在渠基土冻结期间，往往由于地下水位较高，或因渠基周边有流（或渗）入渠基的外水水源时，将会有大量的水向冻结锋面转移和结冰，由于此部分水结冰后的体积每1cm，为1.09cm3，故其产生的基土冻胀变形远远大于前者，从而冻害亦将大于前者。同时，在次年融化后，刚性材料渠道防渗层其裂缝宽度可能有所缩小、隆起高度也将有些降低，但不可能恢复原状，将有残留变形存在。如不及时维修和处理，并继续输水运行，其冻害将逐渐加剧，直至破坏，完全失去防渗效果。如为土料防渗层时，将会产生表层剥蚀，甚至滑塌的事故。 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3类冻害是基本的和主要的；而对于冬季行水的渠道防渗工程而言，因渠水位以下有保温作用，故其冻害主要为第2类冻害。另外，对具体工程来说，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产生的综合作用的结果。
3.防治渠道防渗工程冻害的措施
渠道防渗工程的冻害主要因渠基土的冻胀而产生。当土的冻胀变形量超过了防渗材料和防渗断面形式所允许的冻胀变形量时，根据《渠道防渗工程技术规范》要求，应采取防治冻胀的措施。防治冻胀的措施，应以适应、削减渠基土冻胀的措施为主，辅之以经济适用的加强结构抵抗冻胀的措施，消除、不宜单纯提高防渗层的厚度、强度和重量。渠基土冻胀的3个基本要素是：易冻胀的土质、水分（土中水及外界补给的水）、及土中的负温值。如能消除或削弱上述3个基本要素之一，即能消除或削弱渠基土的冻胀。据此原理，并考虑设计与施工和管理方面的因素，结合我国近年来的科研成果和工程实践经验，提出如下防治冻胀的措施。
3.l 防渗渠道规划设计应注意的防冻问题
防渗渠道的规划设计，除考虑其他因素外，单从防治冻害方面考虑，应采取如下措施。
（1）渠线选择应尽量避开地下水位高、土质冻胀性强的地段。
（2）小型渠道在条件允许下，可采用暗渠（管）输水。
（3）为了适应冻胀变形，应选用变形性能较好的防渗材料，如沥青混凝土、土工膜等。
（4）大型渠道应选用弧形底梯形或弧形坡脚梯形断面；小型渠道应选用“U”形渠道断面。因为这些断面较梯形断面冻胀变形较均匀、裂缝少、缝宽小、残余变形小、冻害较轻。
（5）应重点推广和彩板（混凝土板等）膜（塑膜、復合土工膜、沥青玻璃布油毡等）复合式的防渗层断面形式。此形式不仅减轻了冻害，而且提高了防渗效果。
3.2 换基措施
将冻胀性土基用非（弱）冻胀性土置换，以削弱或基本消除渠基土的冻胀。此法需在非（弱）冻胀性土料源丰富地区使用。
3.3 排水隔水措施
水是渠基土冻胀的决定性要素。为了防治冻害，必须采取措施，控制和降低渠基土的水分；防止周边及外界水的渗（流）人，增大渠基土的水分；及降低渠基中的地下水位，防止在冻结期间向渠基土冻结锋面迁移。
3.4 保温措施
采用保温材料对渠基进行保温，提高地温，减少冻深和冻胀。
3.5 管理措施
为了防止冻害，在管理工作方面应作到：
（l）与渠道相邻的灌溉农田应在冬季出现冻结温度前15～20 d结束灌水，避免冻前渠基土水分过高。
（2）冬季行水渠道在负温期间宜连续通水，有冬灌习惯的渠道，宜在平均气温稳定小于0℃前停水，翌年稳定超过0℃时通水；
（3）渠道内和渠堤外，冬季不宜积水；
（4）在渠道放水前后，雨后及冬季应检查渠道防渗工程的完整情况，如有裂缝等破坏情况时，应及时修补和处理，不宜带病行水。
参考文献：
[1] 戈敢，催永庆，赵文俊，等 宁夏黄灌区水资源合理配置与节水体系建设研究[J].宁夏农林科技，2005（增刊）.
[2] 李安国，建功，曲强.渠道防渗工程技术[M].北京：中国水利水电出版社，1998.
[3] 朱强.我国渠道冻胀防治综述[J].防渗技术，1999（2）.
[4] 李民.河北渠道衬砌冻害调查及分析[J].防渗技术，2000（4）.
【关键词】宁夏；渠道；防渗；冻害；措施
1.宁夏渠道防渗衬砌的意义
宁夏水资源十分贫乏，水资源指数排在全国最末。全区地表水资源8.89亿m3，地下水资源25.3亿m3，扣除地表水与地下水的重复计算量23.7亿m3，水资源量为10 .49亿m3。按照黄河水利委员会的规划方案，分配给宁夏年用黄河水量为40亿m3，现已实现利用34亿m3左右。2004年宁夏总用水量87.95亿m3，其中引黄水量66.0亿m3，比2003年特殊千旱年份增加22.1亿m3，比2002年正常年份减少7.5亿m3，减少10.2%[1]。
由于渠系年久失修，漏水渗水严重，渠系水有效利用率低，引黄区为0.43，扬黄区为0.63。水稻毛灌溉定额和水浇地毛灌溉定额大大超过作物实际需水量。大水漫灌还引起了土壤的盐渍化，使得每耐水粮食产量变低，仅为0.31kg。因此，实施节水灌溉技术，对渠道进行防渗衬砌能够有效节约水资源，提高经济效益。
1.1 增加了经济效益
渠道防渗后减少了输水损失，与土渠输水相比，从水源取等量的灌溉水可以灌溉更多的农田，即如果灌溉同等数量的耕地，渠道防渗所需建设水源工程的投资比土渠少得多。渠道采用防渗措施后，用其节约的水灌溉，每亩地的投资约为建库蓄水灌溉每亩地投资的1/3。渠道防渗还可以节约管理费用，实践证明用刚性材料防渗后，可以减少管理养护费用70%；混凝土防渗渠道的管理养护费仅为同流量土渠的1/3。
1.2 防止土壤盐碱化及沼泽化
渠道不采用防渗措施，不仅因渗漏而损失大量的水，而且提高了地下水位，导致灌区盐碱化、沼泽化。据调查，引黄灌区没有采取防渗及排水措施，不到两年的时间，因地下水上升，使渠道两岸几千万亩耕地盐碱化；。渠道防渗后，这些现象即告消失。此外，渠道防渗后，还可以免去排水工程所需的投资[2]。
1.3 防止渠道冲刷、淤积及坍塌
渠道防渗工程，除防渗作用外，还有防冲、防淤、防坍塌，稳定渠道，保证输水安全的作用。我区引黄灌区，因水的含沙量大、比降小、流速小，一般土质渠道容易淤积，每年清淤工作量很大。由于防渗渠道糙率小、流速大，输水时间可以缩短30%～50%。这对于大型灌区和干旱季节，其意义尤为重要。
渠道衬砌后有利于其边坡的稳定及抵御雨水的侵蚀。尤其是傍山渠道，因渠线长，地质复杂，裂缝发育，渠床不稳定，输水灌溉中经常发生决口、滑坡等事故，造成巨大损失。
由此可见，探索和推广渠道防渗技术对我国农业的可持续发展，确保粮食安全具有重要的现实意义。
2.防渗衬砌渠道冻害类型
2.1 渠道防渗材料的冻融破坏
不同防渗材料修建的渠道防渗层本身，除膜料防渗层外，均含有或多或少的自由水，此种水在负温气下结冰后，每1cm3体积增大0.09cm3；尤其是防渗层一般具有一定的吸水性，加之渠道防渗工程经常处在有水的環境中，因此，防渗层又吸人了一定量的水，而此部分水在负气温下结冰后，每1cm3体积则为1.0gcm3。因此，由于防渗层本身原有的水或吸（渗）人的水，在负气温下结冰后体积的膨胀使防渗层强度降低，结构破坏，产生裂缝，甚至溃散。如为土料（素土，灰土、三合土、水泥土等）防渗时，则会因防渗层中水结冰后体积的增大，而使防渗层隆起和鼓胀。在次年消融后，因含水量很高，从而发生渠坡失稳滑塌和表面剥蚀等现象[3]。
2.2 渠道中水体结冰造成防渗工程的破坏
当渠道因运行管理的要求，在负温期间通水时，渠道内的水体将发生冻结。起初只是形成岸冰，在特别寒冷或严寒条件下，岸冰逐渐向中心扩大，逐步连成一体，表面封冻。此后，冰层逐渐加厚，对两岸衬砌体产生冰压力，造成衬砌体的破坏，或者在冰推力作用下，砌块被推上坡，发生破坏性的变形。同时，当渠水面封冻时，上游流来的浮冰块或冰屑团，部分钻到冰面以下，当来冰量大于排冰能力时，冰块及冰屑团就将在某个断面的冰面下积累，减少过水断面，逐渐演变到断面的完全封堵，形成冰坝。此时一，水流将漫溢渠顶，造成渠堤决口，或者水从衬砌体背后流入地下，带走基土中的细粒，造成渠床土壤中的空洞，使衬砌塌陷破坏。因此，渠道在严寒地区进行冬季输水，要十分谨慎，采取多方措施，以保安全。
引水式电站和调水工程的渠道，常需在负气温下输水运行。此时渠水即会结冰。开始时只是冰屑和小冰块，随水流而动，它会像刀片一样，反复撞击和切割水面变化区渠坡的防渗层，使其受到不同程度的破坏。尤其是在为土料防渗层时，此一破坏使渠坡形成一纵向的，一定深度的切割槽，翌年消融以后，槽上的土体即会失稳滑落。继而在严寒的气温下，冰屑（冰块）先与渠坡冻结形成岸冰，再向渠中心延伸而形成冰层，水在冰层下运行。如上游水中的来冰量大于排水量时，冰屑（块）将积于某一渠道断面处，使过水面减少，如此继续，渠将被冰封堵，形成冰坝，即会造成水源漫溢，甚至溃渠的事故。同时，冰层的膨胀，又会因其冰推力而使渠坡防渗层移位和破坏。在来年消融后，当渠中部冰层融断，仅留与渠坡冻结在一起的悬臂式冰层，且又无水浮托时，此悬臂冰体因其重力而会将防渗层拉起、错位而破坏[4]。
2.3 渠道基土冻融对防渗工程的破坏
当渠道防渗工程的基础土壤为冻胀性土，且其含水量大于起始冻胀含水量时，在冬季负气温的作用下，由于土渠基中水冻结后体积的增大，而使土渠基发生隆起，称其为冻胀变形。当冻胀变形超过防渗层的允许变形时，或因冻胀而产生的冻胀力超过防渗层的抗裂或抗拉强度时，防渗层即会裂缝破坏。尤其严重的是在渠基土冻结期间，往往由于地下水位较高，或因渠基周边有流（或渗）入渠基的外水水源时，将会有大量的水向冻结锋面转移和结冰，由于此部分水结冰后的体积每1cm，为1.09cm3，故其产生的基土冻胀变形远远大于前者，从而冻害亦将大于前者。同时，在次年融化后，刚性材料渠道防渗层其裂缝宽度可能有所缩小、隆起高度也将有些降低，但不可能恢复原状，将有残留变形存在。如不及时维修和处理，并继续输水运行，其冻害将逐渐加剧，直至破坏，完全失去防渗效果。如为土料防渗层时，将会产生表层剥蚀，甚至滑塌的事故。 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3类冻害是基本的和主要的；而对于冬季行水的渠道防渗工程而言，因渠水位以下有保温作用，故其冻害主要为第2类冻害。另外，对具体工程来说，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产生的综合作用的结果。
3.防治渠道防渗工程冻害的措施
渠道防渗工程的冻害主要因渠基土的冻胀而产生。当土的冻胀变形量超过了防渗材料和防渗断面形式所允许的冻胀变形量时，根据《渠道防渗工程技术规范》要求，应采取防治冻胀的措施。防治冻胀的措施，应以适应、削减渠基土冻胀的措施为主，辅之以经济适用的加强结构抵抗冻胀的措施，消除、不宜单纯提高防渗层的厚度、强度和重量。渠基土冻胀的3个基本要素是：易冻胀的土质、水分（土中水及外界补给的水）、及土中的负温值。如能消除或削弱上述3个基本要素之一，即能消除或削弱渠基土的冻胀。据此原理，并考虑设计与施工和管理方面的因素，结合我国近年来的科研成果和工程实践经验，提出如下防治冻胀的措施。
3.l 防渗渠道规划设计应注意的防冻问题
防渗渠道的规划设计，除考虑其他因素外，单从防治冻害方面考虑，应采取如下措施。
（1）渠线选择应尽量避开地下水位高、土质冻胀性强的地段。
（2）小型渠道在条件允许下，可采用暗渠（管）输水。
（3）为了适应冻胀变形，应选用变形性能较好的防渗材料，如沥青混凝土、土工膜等。
（4）大型渠道应选用弧形底梯形或弧形坡脚梯形断面；小型渠道应选用“U”形渠道断面。因为这些断面较梯形断面冻胀变形较均匀、裂缝少、缝宽小、残余变形小、冻害较轻。
（5）应重点推广和彩板（混凝土板等）膜（塑膜、復合土工膜、沥青玻璃布油毡等）复合式的防渗层断面形式。此形式不仅减轻了冻害，而且提高了防渗效果。
3.2 换基措施
将冻胀性土基用非（弱）冻胀性土置换，以削弱或基本消除渠基土的冻胀。此法需在非（弱）冻胀性土料源丰富地区使用。
3.3 排水隔水措施
水是渠基土冻胀的决定性要素。为了防治冻害，必须采取措施，控制和降低渠基土的水分；防止周边及外界水的渗（流）人，增大渠基土的水分；及降低渠基中的地下水位，防止在冻结期间向渠基土冻结锋面迁移。
3.4 保温措施
采用保温材料对渠基进行保温，提高地温，减少冻深和冻胀。
3.5 管理措施
为了防止冻害，在管理工作方面应作到：
（l）与渠道相邻的灌溉农田应在冬季出现冻结温度前15～20 d结束灌水，避免冻前渠基土水分过高。
（2）冬季行水渠道在负温期间宜连续通水，有冬灌习惯的渠道，宜在平均气温稳定小于0℃前停水，翌年稳定超过0℃时通水；
（3）渠道内和渠堤外，冬季不宜积水；
（4）在渠道放水前后，雨后及冬季应检查渠道防渗工程的完整情况，如有裂缝等破坏情况时，应及时修补和处理，不宜带病行水。
参考文献：
[1] 戈敢，催永庆，赵文俊，等 宁夏黄灌区水资源合理配置与节水体系建设研究[J].宁夏农林科技，2005（增刊）.
[2] 李安国，建功，曲强.渠道防渗工程技术[M].北京：中国水利水电出版社，1998.
[3] 朱强.我国渠道冻胀防治综述[J].防渗技术，1999（2）.
[4] 李民.河北渠道衬砌冻害调查及分析[J].防渗技术，2000（4）.