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渠道防渗工程技术
3.1渠道防渗类型和特性
3.1.1渠道防渗意义和作用
（一）渠道防渗意义
发展节水型农业行之有效的节水技术有渠道防渗、低压管道输水、改进地面灌溉技术、发展喷灌与微灌、实行节水灌溉制度等。这些节水技术无疑均是重要的和必需的，但节水效益最大的技术则是渠道防渗。这是因为我国每年灌溉用水量约为3500亿m3，占农业用水量的90％，占我国总用水量的63％。目前我国已建渠道防渗工程为55万多Km，仅占渠道总长的18％，80％以上的渠道没有防渗，渠系水的利用系数很低，平均不到0.50，低于其他国家（美国为0.78，前苏联为0.6~0.7，日本为0.61，巴基斯坦为0.58等）。也就是说，从水源到田间，有50％以上的灌溉水因渠道渗漏而损失掉了。由于渠道渗漏浪费的水量很大，我国粮食作物的水分生产效率仅为1kg左右，而以色列高达2.32kg。如果我国灌溉渠系水的有效利用系数提高0.10，则每年可节约水量350亿m3左右，等于正在规划的南水北调中线工程年引水量的2.7倍左右，这对缓解我国水资源供需矛盾将起到很大作用。因此，必须首先做好渠道防渗工程，堵住这个浪费水的大洞，提高渠系水的利用率。
渠道的渗漏水量不仅降低了渠系水的利用系数，减少了灌溉面积，浪费了水资源，而且会引起地下水位上升，招致农田渍害，在有盐碱化威胁的地区，还会引起土壤的次生盐碱化，同时还会增加灌溉技术和农民的水费负担，甚至会危及工程的安全运行。为了减少渠道输水损失，提高渠系水利用系数，一方面要加强渠系工程配套和维修养护，有计划地引水和配水，不断提高灌区管理工作水平；另一方面要采取渠道防渗工程措施，减少渗漏损失水量。
（二）渠道防渗的作用
渠道防渗工程措施除了减少渠道渗漏损失、节省灌溉用水量、更有效地利用水资源外，还有以下作用：
1．提高渠床的抗冲能力，防止渠坡坍塌，增强渠床的稳定性。
2．减小渠床糙率系数，加大渠道内水流流速，提高渠道输水能力。
3．减少渠道渗漏对地下水的补给，有利于控制地下水位和防治土壤盐碱化及沼泽化。
4．防止渠道长草，减少泥沙淤积，节省工程维修费用。
5．降低灌溉成本，提高灌溉效益。
3.1.2渠道防渗材料及结构形式
（一）渠道防渗工程应符合的要求
1．防渗渠道断面应通过水力计算确定，地下水位较高和有防冻要求时，可采用宽浅：断面。
2．地下水位高于渠底时，应设置排水设施。
3．防渗材料及配合比应通过试验选定。
4．采用刚性材料防渗时，应设置伸缩缝。
5．标准冻深大于10cm的地区，应考虑采用防治冻胀的技术措施。
6．渠道防渗率，大型灌区不应低于40％；中型灌区不应低于50％；小型灌区不应低于70％；井灌区如采用固定渠道输水，应全部防渗。
7．大、中型灌区宜优先对骨干渠道进行防渗。
（二）渠道防渗材料简介
根据所使用的材料，渠道防渗可分为：①土料防渗；②水泥土防渗；③砌石防渗I④塑料薄膜防渗(内衬薄膜后再用土料、混凝土或石料护面)⑤沥青混凝土防渗；⑥混凝土防渗等。其中混凝土衬砌是当今渠道衬砌的主要形式。各类材料防渗效果和适用条件见表3-1。
表3-1  常见渠道防渗形式的主要特性
项目

防渗材料

主要原材料
允许最大
渗漏量
（m3/m2.d）
使用年限
适用条件
土料
粘性土
粘砂混合土
粘质土、砂、石、石灰等
0.07～0.17
5～15
能就地取材。造价低，施工简便，但抗冻性差，耐久性较差，需劳力多，质量不易保证适用于气候和地区的中、小型渠道
灰土
三合土
四合土
10～25
水泥土
干硬性水泥土
塑性水泥土
壤土、砂壤土、水泥等
0.06～0.17
8～30
能就地取材，造价较低，施工容易，但抗冻性较差。适用于温地区，且附近有壤土和砂壤土的渠道

石料
干砌卵石
（挂淤）
卵石、块石、料石、石板、水泥等
.20～0.4
25～40
抗冻和抗冲性能好，施工简易，耐久性强，但防渗能力一般较难保证，需劳力多。适用于石料来源丰富、有抗冻与抗冲要求的渠道
浆砌块石
浆砌卵石
浆砌料石
浆砌石板
0.09～0.25
沥青混凝土
现场浇筑预制辅砌
沥青、砂、石、矿粉等
0.04～0.14
25～30
防渗能力强，适应冻胀变形能力较好，造价与混凝土相近，但目前沥青料源缺乏。一般适用于有冻害的地区，且附近有沥青料源渠道
埋辅式膜料
土料保护层
刚性保护层
膜料、土料、砂、石、水泥等
0.04～0.08
20～30
防渗能力强，质轻、运输便利，用土作保护层时，造价较低，但自地多，允许流速小。适用于中、型低流速渠道。当用刚性保护层时，造价较高，可用于大、中型渠道
混凝土
现场浇筑
砂、石、水泥、速凝剂等
0.04～0.14
30～50
防渗效果、抗冲性和耐久性好，可用于各类地区的各种运用条件下的各级渠道；喷射法施工宜用于岩基、风化岩基以及山区渠道
预制辅砌
0.06～0.17
20～30
喷射法施工
0.05～0.16
25～35
目前，我国渠道防渗中存在的主要问题是衬砌技术成本较高，影响大面积推对于西北地区特殊的湿陷性黄土、盐胀土和膨胀土层，渠道衬砌需解决大变形。
（三）渠道防渗层的结构及厚度
1．土料防渗。土料防渗层的厚度应根据防渗要求通过试验确定。中、小型渠道可参照表3-1选用。为增加防渗层的表面强度，根据渠道流量大小，表层采用水泥砂浆抹面和涂刷硫酸亚铁溶液的办法。
2．水泥土防渗。水泥土防渗层的配合比应通过试验确定。防渗层的厚度宜采用8～10cm，小型渠道不应小于5cm。水泥土预制板的尺寸，应根据制板机、压实功能、运输条件和渠道断面尺寸等功能确定，每块预制板的重量不宜超过50kg。板间用砂浆挤压、填平，并及时勾缝与养护。
因水泥土的抗冻性较差，故对耐久性要求高的明渠水泥土防渗层，宜用塑性水泥土铺筑，表面再用水泥砂浆、混凝土预制板、石板等材料作保护层。此种防渗层结构，水泥土的水泥掺量可以适当减少，但水泥土28d的抗压强度不应低于1.5MPa。
表3-2  土料防渗层厚度表
土料种类
防渗层厚度表（cm）
渠底
渠坡
侧墙
高液限黏质土
中液限黏质土
灰土
三合土
四合土
20～40
30～40
10～20
10～20
15～20
20～40
30～60
10～20
10～20
15～25

20～30
20～40
3．砌石防渗。护面式砌石防渗层的厚度(见图3-1)，浆砌料石采用15～25cm；浆砌块石采用20～30cm；浆砌石板厚度不宜小于3cm。浆砌卵石、干砌卵石(见图3－2)挂淤护面式防渗层的厚度一般采用15～30cm。
为了防止渠基淘刷，提高防渗效果，干砌卵石挂淤渠道可在砌体下面设置砂砾石垫层或低标号砂浆垫层。浆砌石板防渗层下，可铺厚度2～3cm的砂料或低标号砂浆垫层。对防渗要求高的大中型渠道，可在砌石层下加铺粘土、三合土、塑性水泥土或塑膜层。

图3－1  浆砌石渠道护面结构
（a）护面式结构    (b)挡土墙式结构
护面式浆砌石防渗层一般不基上挡土墙式浆砌石防渗层宜设10～15m。
4．膜料防渗。膜料的基本和沥青。按防渗材料可分为塑料类、沥青和环氧树脂类。按加强不加强土工膜(直喷式土工膜加强土工膜(玻璃纤维布、聚酯纤维布作加强材料)、复合型土工膜(土工织物作基材)。
目前我国渠道防渗工程普遍采用聚乙烯和聚氯乙烯塑料薄膜，其次是沥青玻璃纤维布油毡。此外，复合土工膜近几年也陆续采用。
膜料防渗多用埋铺式，其结构一般包括：膜料防渗层、过渡层、保护层等。如图3－2所示。

图3-2  埋铺式膜料防渗体的构造
(a)无过渡层的防渗体；(b)有过渡层的防渗体
用作过渡层的材料很多，应因地制宜地选用。过渡层的厚度见表3-3。
表3-3  过渡层厚度
过渡层厚度
厚度(cm)
灰土、塑性水泥土、砂浆素土、砂
2～3
3～5
素土保护层厚度，当时，全铺式的梯形、台阶形、锯齿形断面，半铺式的梯形和底铺式断面保护层的厚度，边坡与渠底相同。见表3-4；当时，梯形和五边形渠底土保护层的厚度见表3-4，渠坡膜层顶部土保护层最小厚度，温暖地区为30cm，寒冷地区为35cm。
表3-4  素土保护层的厚度                   
单位：cm

保护层土质
渠道设计流量(m3／s)
＜2
2～5
5～20
＞20～
砂壤土、轻壤土
中壤土
重壤土、粘土
45～50
40～45
35～40
50～60
45～55
40～50
60～70
55～60
50～55
70～75
60～65
55～60
刚性材料保护层厚度见表3-5。也可在渠底、渠坡和不同渠段，采用具有不同抗冲能力、不同材料的组合式保护层。
表3-5  不同材料保护层的厚度
单位：cm
保护层材料
水泥土
块石、卵石
砂砾石

混凝土
现浇
预制
保护层厚度
4～6
20～30
25～40
≥30
4～10
4～8
5．沥青混凝土。沥青混凝土防渗层厚度一般5~6cm(见图3-3)，大型渠道可采用8～10cm。有抗冻要求的地区，渠坡防渗层可采用上薄下厚的断面，一般坡顶厚度5～6cm，坡底厚度8～l0cm。整平胶结层采用等厚断面。沥青混凝土边长不宜大于1.0m，厚度采用5～8cm。预制板一般用沥青砂浆砌筑；在地基有较大变形时，也可采用焦油塑料胶泥填筑。

图3-3  沥青混凝土防渗体的结构形式
(a)无整平胶结层的防渗体；(b)有整平胶结层的防渗体
1－封闭层；2－防渗层；3－整平胶结层；4－土(石)渠基；5－封顶板
6．混凝土防渗。混凝土防渗层采用等厚板，当渠基有较大膨胀、沉陷等变形时，除采以 取必要的地基处理措施外，对大型渠道宜采用楔形板、肋梁板、中部加厚板或“Ⅱ”形板。混凝土防渗体的结构形式如图3-4所示。

图3-4  混凝土防渗体的结构形式
3.1.3选择防渗技术措施应考虑的因素
表3-1系我国SL18-91《渠道防渗工程技术规范》规定的各种渠道防渗材料的技术特点、防渗效果、运用条件等，可根据拟建渠道的基本资料，在上述设计总则指导下，具体的进行设计。设计时尚应综合考虑下列影响因素。
（一）气候条件
气候条件是渠道防渗工程设计和施工应要考虑的基本因素。它对防渗材料的耐久性和施工方法具有决定性作用，也是工程防冻胀设计的决定性因素。
（二）地形条件
地形条件往往是决定渠道防渗工程造价的重要因素，在渠道防渗措施中，压力管道受地形影响最小，但太贵；低压管道、输水槽以及混凝土等防渗渠道，较能适应地形的变化；而土料及埋铺式膜料(土保护层)防渗渠道，因允许流速小(为混凝土的1／6左右)，只能用于较平坦地区。因此，选择防渗方案时，应考虑地形条件。
（三）基土性质
基土的渗透性是决定有无防渗必要和采用哪种防渗措施的关键，土的冻胀敏感性和抗压强度等都是工程设计应考虑的主要性能。对黄土类、壤土类等基础好、渠床稳定的地区，一般采用混凝土、砌石等防渗措施。但在含膨胀性粘土或石膏以及孔状灰岩的渠基上，一般不宜采用刚性材料，应采用厚压实土料，或埋铺式膜料类的柔性防渗措施。对于湿陷性黄土渠基，防渗前做完浸水处理后，最好采用埋铺式膜料防渗。也可以改变渠线，使渠道绕过不良土质地带。无法改线时，可用砂、砾石或其他土料换基，以代替不良土壤。但此法造价高，      除有抗冻害要求和附近有合适的代换材料外，一般不宜采用。
在选择防渗方案时，应尽量考虑土渠开挖土方的应用问题。如有适宜的土料，可采用压实土料防渗；如开挖的土料不能压实，但可以用作膜料防渗的保护层时，则应采用埋铺式膜料防渗。
（四）地下水位
地下水位高于渠底时，防渗层存在承受扬压力的问题。必须在防渗层下设排水设施。在寒冷地区，地下水位的高低，是防渗工程进行防冻胀设计时需要考虑的。
（五）土地利用及灌溉系统的形式
为减少占地，在城郊及人口密集地区，应采用暗渠(管)、输水槽或边坡较陡的如U形、矩形断面等刚性材料防渗渠道。
为了改善旧有灌溉系统和用水方式，如合并地块，改连续输水为轮流输水，改变种槽作物等，都应考虑采用刚性材料防渗，使配水渠系占地最小。同时也使轮流输水的渠系能更好地满足配水要求。
（六）防渗标准
在水费很高的地区，或渗漏水有可能引起渠基失稳，影响正常运行的渠道，防渗标准应提高。建议采用下铺膜料，上部用混凝土板作保护层的措施。据国外有关经验，厚10cm的混凝土防渗渠道，平均渗漏量为21L／(m·天)，如在混凝土层下加铺聚氯乙烯薄膜，可减少渗漏量95％。只要持续12年，节约的水量，就足以抵偿塑膜增加的投资。
（七）耐久性
据资料介绍，埋设混凝土管道使用年限按50年计算，年养护费占造价的0.1％。印度用的沥青粘土混合料防渗，使用年限按5年计，年养护费为造价的l0％。厚2.5cm的泥浆衬砌，估计不超过2年，年养护费为造价的25％。使用年限，对计算工程的经济效益，影响很大，设计时应慎重确定。
（八）材料来源
应本着因地制宜、就地取材的原则选用防渗措施。料源应充足。如当地无砂、石料而又必须采用混凝土防渗的重要工程，可以采用在他处预制，运到当地施工，或采用人工制砂、石的办法。当水中含有较多泥沙，且渠基为砂砾石时，如旧渠由于运用时间已久，有天然淤填的作用，也可能不再需要采用其他防渗措施等。
（九）劳力、能源及机械设备供应情况
在劳力较多、工资较低的地区，应采用能充分利用劳动力的措施。如采用预制陶瓷板及混凝土板安砌和压实土料防渗等。如压实厚度超过0.5m或用现浇混凝土防渗的，则可采用推土机、铲运机、羊足碾及浇筑机等设备，以保证施工质量，加快施工进度，使防渗工程早日受益。
（十）管理养护
如渠道需要频繁地放水和停水，渠道水位有较大的升降变化时，最好采用刚性材料防渗。土料防渗，不能控制杂草及淤积，同时在劳力昂贵的地方，并不比刚性材料防渗便宜。明铺式膜料、薄粘土层或薄压实土料防渗，易受牲畜践踏等外力破坏，故在使用上受到限制。在已成土渠上建防渗工程，因施工时间短，渠基不能很快干燥，很难采用现浇的刚性材料护面，故最好能采用机械或人工预制安装混凝土板的措施，以加快进度，保证输水。
（十一）工程费用
渠道防渗措施是否经济，应以效益的大小来衡量。在资金允许情况下，应尽量选取标准较高的防渗方案。新建渠道的防渗工程应与修渠同时进行，设计和施工一次完成。
3.2防渗渠道的设计
3.2.1防渗渠道断面形式
防渗道断面形式见图3-5。明渠可选用矩形、梯形(包括弧形底梯形、弧形坡脚梯形)、形和复合形；无压暗渠可选用城门洞形、箱形、正反拱形和圆形。不同防渗材料可参照3-5选用适宜的断面形式。

图3-5  防渗渠道的横断面形式
(a)梯形断面；(b)弧形底梯形断面；(c)弧形坡脚梯形断面；(d)复合形断面；(e)u形断面；(f)矩形断面；(g)城门洞形暗渠；(h)箱形暗渠；(i)正反拱形暗渠；(j)圆形暗渠
梯形横断面施工简便、边坡稳定，在地形、地质无特殊问题的地区，可普遍采用。弧形底梯形、弧形坡脚梯形、u形渠道等，由于适应冻胀变形的能力强，能在一定程度上减轻冻胀变形的不均匀性，在北方地区得到了推广应用。U形渠道自20世纪70年代在我国开始应用，在渠道上目前已得到了广泛的应用。其主要优点足：①水力条件好，近似最佳水力断面，可减少衬砌工程量，输沙能力强，有利于高含沙引水；②在冻胀性和湿陷性地基上有一定的适应地基不均匀变形的能力；③渠口窄，节省土地，减少挖填方量；④整体性强，防渗效果优于梯形渠道；⑤便于机械化施工，可加快施工进度。
暗渠具有占地很少、在城镇区安全性能好、水流不易污染等优点。在冻土地区，暗渠
可避免冻胀破坏。因此，在土地资源紧缺地区应用较多。
表3-5  不同材料防渗渠道适用的横断面形式
防渗渠道材料类别
防渗渠道横断面形式
明渠
暗渠
梯形
矩形
复合形
弧形底梯形
弧形坡脚梯形
U形
城门洞行
箱形
正反拱形
圆形
素土
∨

∨
∨

灰土
∨
∨
∨
∨
∨

∨

∨

黏砂混凝土
∨

∨
∨

膨润混合土
∨

∨
∨

三合土
∨
∨
∨
∨
∨

∨

∨

四合土
∨
∨
∨
∨
∨

∨

∨

塑性水泥土
∨

∨
∨
∨

干硬性水泥土
∨
∨
∨
∨
∨

∨

∨

料石
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
块石
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
卵石

∨

∨
∨
∨
∨
∨

∨

石板
∨

∨
∨
∨

土保护层塑膜

∨

∨
∨

沥青混凝土

∨

∨
∨

混凝土

∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
∨
刚性保护层塑膜
∨
∨
∨
∨
∨

∨
∨
∨
∨
3.2.2安全超高
衬砌护面应有一定的超高，以防风浪对渠床的冲刷。衬砌超高指加大水位到衬砌层顶
端的垂直距离。小型渠道可采用20～30cm，大型渠道可采用30～60cm。衬砌层顶端到渠
道的堤顶或岸边也应有一定的垂直距离，以防衬砌层外露于地面，易受交通车辆等机械损
坏；也可防止地面径流直接进入衬砌层下面，威胁渠床和衬砌层的稳定。这个安全高度一
般为20～30cm。U形渠道衬砌超高d。和渠堤超高n值见表3-6。
表3-6  U形渠道衬砌超高和渠堤超高
加大流量
＜0.5
0.5～1.0
1.0～10
10～30

0.1～0.15
0.15～0.2
0.2～0.35
0.35～0.5

0.2～0.3
0.3～0.4
0.4～0.6
0.6～0.8
3.2.3防渗渠道的设计参数
防渗渠道的设计参数除渠道的设计流量外，还有边坡系数、糙率、超高、不冲不淤流速、伸缩缝间距及填缝材料、砌筑缝及其填筑缝材料、渠底比降、稳定渠床的宽深比、堤顶宽度和封顶板等。设计参数选择的是否正确，关系到渠道的工程量大小、输水能力、防渗效果、渠床是否稳固和安全运用，以及工程效益的发挥等，因此设计参数必须谨慎设计，认真选择。本节对设计参数如何设计与选择不作介绍，请参阅有关书籍。
3.2.4防渗渠道的水力断面计算
（一）水力断面计算的基本公式
各种渠道断面设计的准确尺寸，应通过如下基本计算公式确定，即
                              （式3-1）
式中：
——渠道平均流速，mm/s；
——谢才系数，m1/2/s；
——水力半径，m；
——渠底比降。
谢才系数常用曼宁公式计算
                       （式3-2）
式中：
——渠道糙率系数。
               （式3-3）
式中：
 ——渠道设计流量，m3/s；
——渠道过水断面面积，m2。
（二）梯形、矩形渠道的水力计算
1．一般断面水力计算
梯形、矩形渠道的水力计算主要是试算确定过水断面的水深和底宽的数值。试算步骤如下：
（1）假设、值。为施工方便，底宽应取整数。因此，一般先假设一个整数的的值，再选择适当的宽深比，用公式计算相应的水深值。
（2）计算渠道的过水断面的水力要素。根据假设的、值计算相应的过水断面面积、湿周、水力半径和谢才系数。计算公式如下
                       （式3-4）
                 （式3-5）
                                  （式3-6）
用式3-2计算谢才系数。
（3）计算渠道流量。
（4）校核渠道流量。上面计算出来的渠道流量（）是与假设的、值相应的输水能力，一般不等于渠道的设计流量（），通过试算，反复修改、值，直至渠道计算流量等于或接近渠道设计流量为止。要求误差不超过5％，即设计渠道断面应满足的校核条件
是
                    （式3-7）
在试算过程中，如果计算流量和设计流量相差不大，只需修改值，再进行计算；如二者相差很大，就要修改、值，再进行计算。为了减少重复次数，常用图解法配合：在底宽不变的条件下，用三次以上的试算结果绘制～关系曲线，在曲线图上查出渠道设计流量和相应的设计水深，如图3-6所示。

如图3-6  h～Q关系曲线
（5）校核渠道流速。设计断面尺寸不仅满足设计流量的要求，还要满足稳定渠道的流速要求。用式3-8计算经流量校核选择的渠道断面通过设计流量时所具有的流速。
                         （式3-8）
然后按不冲流速()和不淤流速()校核，计算出来的流速应满足以下条件。
                        （式3-9）
如不满足流速校核条件式3-8，就要改变最初假设的底宽值，重新按以上步骤进行计算，直到既满足流量校核条件又满足流速校核条件为止。
（二）水力最佳断面的水力计算
采用水力最佳断面时，可按以下步骤直接求解：
1．计算渠道的设计水深。由梯形(矩形)渠道水力最佳断面的宽深比计算公式、渠道断面水力要素计算式3-2、式3-4、式3-5和式3-6，通过流量计算公式3-3可求得水力最佳断面的渠道设计水深为
                 （式3-10）
2．计算渠道的设计底宽
                         （式3-11）
3．校核渠道流速。流速计算和校核方法与采用一般断面时相同。如果设计流速不满足校核条件，说明不宜采用最优断面形式，就要按采用一般断面时的试算步骤设计渠道断面尺寸。
【例3－l】设计混凝土衬砌渠道，设计流量m3/s，，渠道比降边坡系数，糙率系数选用，渠道不冲流速m/s，不淤流速 m/s。试确定渠道的断面尺寸。
解：第一方案：按一般断面形式设计。
(1)初设m，m，作为第一次试算的断面尺寸。
(2)计算渠道断面各水力要素

(3) 计算渠道流量

（4）校核渠道流量

因此流量校核不符合要求，需要换值，重新计算。为此，又假设等4个值按上述步骤重新计算，计算结果列入表3-7。
表3-7  渠道横断面尺寸计算
(m)

(m2)

(m)

(m)

(m1/2/s)

(m3/s)
1.5
6.19
6.75
0.92
70.44
8.36
1.6
6.72
7.00
0.96
70.94
9.34
1.65
6.99
7.13
0.98
70.19
9.85
1.7
7.27
7.25
1.00
71.43
10.39
1.75
7.55
7.38
1.02
71.66
10.93
按表3-7的计算结果绘制的～关系曲线见图3-7。从图中查得m3/s ，相应水深m。
（5）校核流量
m/s
设计流速满足校核条件

所以设计断面尺寸是：,，和，即可画出过水断面。水面宽度可从图上量得，也可用下式计算
(m)
第二方案：按水力最佳断面设计
(1)计算渠道的设计水深。
(m)
（2）)计算渠道的设计底宽
(m)
(3)校核渠道流速。
m/s
设计流速满足校核条件

所以设计最佳断面尺寸是：。
（4）水面宽度
(m)
以上两个方案的计算结果都满足流速校核要求，还要考虑施工条件选择其中之一，作为施工的依据。
（三）U形、弧形底梯形断面的设计
U形、弧形底梯形断面分别如图3-8和图3-9所示。

图3-8  U形断面                          图3-9  弧形底梯形断面
1．U形、弧形底梯形水力最佳断面的计算公式
过水断面    
系数        
湿周         
系数         

式中：
——水深，m；
——圆心角一半，（°）
——上部直线段的边坡系数，；
——圆弧半径，m；
——过水面积，m2。
由上式推导出最佳水力断面的半径与水深之比，即水面线刚好通过圆心。此时，弧形底梯形渠的弦长与水深之比：，为弧形底的弦长。
2．U形、弧形底梯形实用经济断面的有关系数
（1）U形断面，值的选择：当渠顶以上挖深不超过1.5m，边坡系数m不大于0.3，渠线经过耕地时，值可在表3-8的范围内选用。
表3-8  U形渠的值

0(0)
0.1(5.7°)
0.2(11.3°)
0.3(16.7°)
0.4(21..8°)

0.65～0.72
0.62～0.68
0.56～0.63
0.49～0.56
0.39～0.47
（2）弧形底梯形断面值的选择：一般情况下，蚝值可按普通梯形断面确定宽深比的方法选择。地形、地质条件要求采用宽浅式断面时，允许选取较大的值。防渗范围超过最佳水力断面的5％时的值，按表3-9选用。
表3-9  弧形底梯形断面值
边坡系数
0.5
1.0
l.25
l.5
1.75
2.0
水力最佳
1.79
1.41
1.25
1.11
0.992
0.894
允许
3.22
3.25
3.44
3.50
3.75
3.76
3．U形、弧形底梯形断面尺寸的计算
可按表3-10公式计算和设计。
表3-10  U形、弧形底梯形断面尺寸的计算公式
名  称
符号
已知条件
计算公式
水面宽

、、
2
圆心角

2
直线段水深

、、

过水面积

、、

湿周

、、、
或

水力半径

、

弧段水深

、

注表中为弧度值。
（四）弧形坡脚梯形渠断面的设计
在地形、地质条件要求采用宽浅式断面时，宽深比仍按表3-10选择。坡脚弧形、、值可通过图解和计算确定。

图3-10  弧形坡脚梯形渠断面
3.3渠道防渗工程的防冻措施
3.3.1渠道防渗工程的冻害及原因
（一）渠道防渗工程冻害类型
由于负气温对渠道防渗衬砌工程的破坏作用而失去了防渗意义统称为渠道防渗工程的冻害。根据负气温造成各种破坏作用的性质，冻害可分以下3种类型。
（1）渠道防渗材料的冻融破坏
渠道防渗材料具有一定的吸水性，这些吸人到材料内的水分在负温下冻结成冰，体积发生膨胀。当这种膨胀作用引起的应力超过材料强度时，就会产生裂缝并增大吸水性，使第二个负气温周期中结冰膨胀破坏的作用加剧。如此经过多次冻结一融化循环和应力的作用，使材料破坏、剥蚀、冻酥，从而使结构完全受到破坏而失去防渗作用。
（2）渠道中水体结冰造成防渗工程破坏
当渠道在负气温期问通水时，渠道内的水体发生冻结。在冰层封闭且逐渐加厚时，对两岸衬砌体产生冰压力，造成衬砌体破坏或产生破坏性变形。
（3）渠道基土冻融造成防渗工程破坏
由于渠道渗漏、地下水和其他水源补给、渠道基土含水量较高，在冬季负气温作用下，土壤中的水分发生冻结而造成土体膨胀，使混凝土衬砌开裂、隆起而折断。在春季消融时又造成渠床表土层过湿、疏松而使基土失去强度和稳定性，导致衬砌体的滑塌。
（二）冻胀破坏形式
1．混凝土防渗
混凝土属于刚性衬砌材料，具有较高的抗压强度，但抗拉强度较低，适应拉伸变形和不均匀变形的能力较差。在冻胀力和热应力的作用下容易破坏，其破坏形式如下。
（1）鼓胀及裂缝。冻胀裂缝多出现在尺寸较大的现浇混凝土板顺水方向，缝位一般在渠坡坡脚以上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，一般出现在水面附近的渠坡上。当混凝土板尺寸过大，不能适应温度收缩变形时，将由于温度应力造成纵向或横向裂缝。当缝间止水材料不能适应低温变形时，将在分缝处发生开裂。此外，当混凝土板与基土冻结在一起后，由于冻土出现冻胀裂缝，混凝土板亦可能被拉裂。
冬季渠内存水并结成较厚冰层的情况下，冰面附近渠坡含水量较高，水分补给充分，冻胀量较大。但混凝土衬砌板的冻胀上抬受到冰层一侧的限制，因而可能在冰缘弯出现裂缝或折断。
（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，而渠顶冻胀量小，造成混凝土衬砌板大幅度隆起架空。这种现象一般出现在坡脚或水面以上0.5～1.5m坡长处和渠底中部，有时也顺坡向上形成数个台阶状。
（3）冻融滑塌。有两种形式。一是由于冻胀隆起架空，使坡脚支撑受到破坏，衬砌板垫层失去稳定平衡，基土融化时，上部板块顺坡向下滑移、错位，互相穿插，如图3－11所示。二是渠坡基土融化期的大面砌板塌落下滑，导致坡脚混凝土板被推开，上部衬砌板滑落下滑，如图3-12所示。

图3-11  流土引起渠道冻融滑坡破坏示意图

图3-12  流土引起渠道冻融滑坡破坏示意图
（4）整体上抬。渠深1.0m左右的较小渠道，基土冻胀不均匀性较小，如小型混凝土U形槽和地下水埋藏较深、衬砌体下没有垫层的渠道可能发生整体上抬，如图3-13所示。
此外，砌石防渗破坏形式与混凝土相似，往往还由于勾缝砂浆受冻融作用而开裂，如图3-14所示。

图3-13  小型混凝土U型槽发生整体上台

图3-14  混凝土衬砌板顺坡向上推移
2．膜料防渗
铺埋式衬砌冻害主要表现在膜料的保护层上土料保护层常因逐年冻融剥蚀变薄，渠道由规则的梯形变成宽U形，甚至膜料外露而遭到破坏，如图3-15所示。刚性保护层效果较好。但在强冻胀土区，也可能出现类似刚性材料的冻胀形式。
外露式膜料衬砌，易受机械作业破坏或老化。在冻胀性土区，由于渠坡的反复冻融，融土蠕动下滑，使薄膜鼓胀，无法复位，如图3－16所示。

图3-15  保护层剥蚀后膜料外漏

图3-16  外露式膜料衬砌破坏
3．沥青混凝土防渗
沥青混凝土在低温下仍具有一定的柔性，能适应一定的变形，但基±冻胀量大时仍可能破坏。且沥青混凝土的温度收缩系数大，在低温下易产生收缩裂缝，若不加处理，就给渠水入渗造成通路。此外，沥青混凝土在自然条件作用下，存在自然老化问题,从而降低了适应冻胀的能力。
3.3.2防冻害措施
根据冻害成因分析，防渗工程是否产生冻胀破坏、其破坏程度如何，取决于土冻结时水分迁移和冻胀作用，而这些作用又和当时当地的土质、土的含水量、负温度及工程结构等因素有关。因而，防治衬砌工程的冻害，要针对产生冻胀的因素，根据工程具体条件从渠系规划布置、渠床处理、排水、保温，以及衬砌的结构形式、材料、施工质量、管理维修等方面着手，全面考虑。
（一）回避冻胀法
回避冻胀是在渠道衬砌工程的规划设计中，注意避开出现较大冻胀量的自然条件，或者在冻胀性土存在地区，注意避开冻胀对渠道衬砌工程的作用。
1．避开较大冻胀存在的自然条件。规划设计时，应尽可能避开黏土、粉质土壤、松软土层、淤泥土地带、有沼泽和高地下水位的地段，选择透水性较强不易产生冻胀的地段或地下水位埋藏较深的地段，将渠底冻结层控制在地下水毛管补给高度以上。
2．埋入措施。将渠道做成管或涵埋入冻结深度以下，可以免受冻胀力、热作用力等影响，是一种可靠的防冻胀措施，它基本上不占地，易于适应地形条件。
3．置槽措施。置槽可避免侧壁与土接触以回避冻胀，常被用于中、小型填方渠道上，是一种廉价的防治措施。
4．架空渠槽，用桩、墩等构筑物支撑渠槽，使其与基土脱离，避免冻胀性基土对渠槽的直接破坏作用，但必须保证桩、墩等不被冻拔。此法形似渡槽，占地少，易于适应各种地形条件，不受水头和流量大小限制，管理养护方便，但造价高。

图3-17  置槽措施

图3-18  架空渠槽
(二)削减冻胀法
当估算渠道冻胀变形值较大，且渠床在冻融的反复作用下，可能产生冻胀累积或后遗性变形情况时，可采用削减冻胀的措施，将渠床基土的最大冻胀量削减到衬砌结构允许变位范围内。
1．置换法。置换法是在冻结深度内将衬砌板下的冻胀性土换成非冻胀性材料的一种方法，通常采用铺设砂砾石垫层。砂砾石垫层不仅本身无冻胀，而且能排除渗水和阻止、下层水向表层冻结区迁移，所以砂砾石垫层能有效地减少冻胀，防止冻害现象发生。
2．隔垫保温。将隔热保温材料(如炉渣、石蜡渣、泡沫水泥、蛭石粉、玻璃纤维、聚苯乙烯泡沫板等)布设在衬砌体背后，以减轻或消除寒冷因素，并可减小置换深度，隔断下层土的水分补给，从而减轻或消除渠床的冻深和冻胀。

图3-19  挡土墙隔热保温
目前采用较多的是聚苯乙烯泡沫塑料，具有自重轻、强度高、吸水性低、隔热性好、运输和施工方便等优点，主要适用于强冻胀大、中型渠道，尤其适用于地下水位高于渠底冻深范围且排水困难的渠道。
3．压实。压实法可使土的干密度增加，孔隙率降低，透水性减弱，密度较高的压实土冻结时，具有阻碍水分迁移、聚集，从而削减甚至消除冻胀的能力。压实措施尤其对地下水影响较大的渠道有效。
4．防渗排水。当土中的含水量大于起始冻胀含水量，才明显地出现冻胀现象。因此，防止渠水和渠堤上的地表水人渗，隔断水分对冻层的补给，以及排除地下水，是防止地基土冻胀的根本措施。
(三)优化结构法
所谓优化结构法，就是在设计渠道断面衬砌结构时采用合理的形式和尺寸，使其具有消减、适应、回避冻胀的能力。
弧形渠底梯形断面和U形渠道已在许多工程中应用，证明对防止冻胀有效。弧形渠底梯形断面适用于大、中型渠道，虽然冻胀量与梯形断面相差不大，但变形分布要均匀得多，消融后的残余变形小，稳定性强，U形断面适用于小型支、斗渠，冻胀变形为整体变位，且变位较均匀。
(四)加强运行管理
冬季不行水渠道，应在基土冻结前停水；冬季行水渠道，在负温期宜连续行水，并保持在最低设计水位以上运行。
每年应进行一次衬砌体裂缝修补，使砌块缝间填料保持原设计状态，衬砌体的封顶应保持完好，不允许有外水流入衬砌体背后。
应及时维修各种排水设施，保证排水畅通。冬季不行水渠道，应在停水后及时排除渠内和两侧排水沟内积水。