１、概述
巴音郭楞蒙古自治州位于新疆維吾爾自治區中部，氣候屬寒冷地區。其境內的焉者盆地一年中最冷月１月份的平均氣溫為-10℃——-15℃，塔里木盆地1月份平均氣溫為-7℃——-11℃。由于氣候寒冷，興建的防滲渠道極易受到凍脹的的破壞。預制砼板護面防滲渠和現澆砼板護面防滲渠最易受到凍脹的破壞，漿砌石護面防滲渠和干砌石護面防不滲渠次之。無論是幾十個流量的大渠道，還是1個流量的小渠道，都會受到凍脹的危害。有些凍脹危害發生在建成后運行初期的1～2年內，而有些卻發生在工程建成末運行之時。凍脹破壞在巴州的2個盆地內均有發生，對渠道的危害也最大。因此進一步研究渠道凍脹破壞的機理，采取有效的措施預防它，對保證各級防滲渠道的正常運行，減少維修養護的費用意義重大。
2、渠道凍脹機理
渠道凍脹破壞是由于渠基土受凍體積膨脹頂托襯砌而形成，渠基土受凍體積膨脹必須具備以下條件：
⑴寒冷氣候區持續的負溫條件；
⑵土壤中自由水和毛細水的存在，并且有通暢的水分補給通道；
⑶土壤本身的物理力學性質，包括土的顆粒組成，礦物質成份等。
在以上三個條件中，土壤中自由水和毛細水的存在是凍脹發生的的先決條件，也是必備條件。在整個漿脹破壞過程中，水是最活躍的因素。
從目前受凍脹破壞的渠道來看，基本上位于灌區內，且處于灌區中、下游的居多。這是因為在灌區中下游地區，地下水埋深淺，土壤顆粒細，土體中自由水和毛細水的補給十分充足。一旦氣溫下降至零度以下，土體中的自由水和毛細水的體積受凍膨脹，引起土體膨脹，頂托襯砌，破壞渠道。
在河區下部，凍脹破壞不但發生在挖方渠道中，在半挖半填渠道中也普遍存在。由此可以看出，毛細水的凍脹性也不容忽視。
綜上所述，凍脹破壞是寒冷地區渠道建設中的一大難題，由土壤中的水、土體顆粒物理性質和負溫所致，大多發生在灌區的中下部。
3、渠道防凍脹處理形式及比較
3.1渠道防凍脹處理形式
渠道防凍脹處理可通過改變渠道結構形式來實現，即用“Ｕ”形或矩形斷面來代替梯形斷面。但這種處理形式只適用于小渠道，流量小于1m3/s的渠道。對于大渠道來說，若采用這種處理方式，難免造成造價和施工難度的加大，加大的幅度還較大。
從上述導致土體凍脹的的三個基本因素中，只有三個因素同時具備，才發生凍脹破壞。只要消除其中一個因素，就能防止和減輕凍脹危害。從目前新疆地區的氣候條件來看，外部溫度不達負溫是不可能的，因此只有采取保溫措施達到內部不負溫。切斷凍土地基在凍結前、后的水分補給是過去防凍脹處理常用的法，此外改變渠基土體的基本結構也是保證土體非凍脹性的一種方法。
要切斷凍土地基在凍結前后的水分補給，通常是采用高填或排水措施來減少水分的補給。但是由于土體顆粒及物理力學性質的決定，毛細水的作用不可忽視。毛細水往往上升至地下水面以上2～3m的平面上，同樣會對渠產生凍脹破壞。例如庫爾勒市哈拉蘇農場的一個小渠道，流量1.5m3/s，旁邊平行有一條深1.5～2m的排水溝，渠道為半挖半填渠道，在施工中就發生了凍脹破壞。因此對于細顆粒土體，要完全切斷水分的補給是不現實的，毛細水的凍脹破壞不容忽視。
改變基土的基本結構的辦法是進行渠基土的換填，就是用大顆粒的土體填入渠基，將原來的細顆粒土體挖走。這種換填工程量較大，換填厚度一般要大于等于凍土深度。如果在凍土深小的地區使用尚可，若在凍土深較大的地區使用，往往工程量是巨大的。
從目前情況看，任何工程要根本回避和解決凍脹三因素之一，從考慮經濟和投資省的情況下，都是非常困難和把握不住的。因此在實際工作中，往往將幾種工程措施結合起來使用。即以回避一種因素為主，輔之以回避另一種因素的綜合措施進行防凍脹處理。如在匯要兩面三刀側開挖排水溝降供銷水分補給的同時，對基土進行一定厚度的換填。用砂或戈壁層加塑膜進行保溫，以減少凍脹破壞。
近來隨著新型建筑材料的問世，苯板越來越多地應用于渠道的防凍脹處理。苯板防凍脹的主要機理是它具有保溫的功效，保證了渠基土不受負溫的影響，同上述砂或戈壁層加塑膜保溫的原理是一樣的。根據現有對苯板的搞凍試驗資料，10cm厚的苯板可起到100cm厚砂或戈壁層的保溫效果。遠大于相當于5～10cm厚戈壁、砂的塑膜的保溫效果。
3.2渠道防凍脹處理形式比較
在高地下水位區，即使采取了斷絕土壤中水分補給的措施，仍難以保證阻止毛細水的上升，因此還必須采取其它防凍脹處理形式。
對渠基土進行換填是一種防凍脹的處理形式，它即改變了渠基土的結構，又具有一定的保溫作用。它的優點是：①當渠道附近有大量換填材料時，造價可能便宜；②由于對渠基進行了徹底換填，當質量達到要求時，可保證渠道永久不受凍脹危害。同時也具有以下缺點：①由于換填厚度大，土方工程量較大，當換填材料運距較遠時，造價較高；②施工難度大，清除了渠基原土，換填后的砂、戈壁難以進行夯實，要達到施工規范要求，難度較大；③換填料的質量難以把握，要求回填含土量小于5%的料。采用天然材料，很難尋找料源。若采用人工加工料，則不經濟。
若不采用基土回填，只鋪設苯板保溫，防止渠基土凍脹也是近年來漸漸采用的一種防凍脹處理形式。它只有保溫作用，不對基土進行回填。具有以下優點：①抗凍效果好，采用10cm的苯板即達到了換填100cm砂或戈壁的保溫效果；②施工方便，渠道開挖斷在小。不對基土進行攏動，直接將苯板置于基土上，在苯板上直接進行襯砌材料的施工；③在一定條件下造價便宜，使用的施工機械少，人工省。采用苯板，不進行基土換填，避免了大量土石方機械的使用。當基土換填材料運距大于一定距離時，其造價低的優勢立即顯現。苯板防
凍脹材料的缺點是：在一定條件下，同換填相比，造價較高。當基土換填材料運距小于一定距離時，其造價明顯高于換填處理。
拿開都河第一分水樞紐北岸干渠為例。該渠道為開都河第一分水樞紐配套輸水渠，長km，輸水流量m3/s。
4、苯板防凍脹成功幾例
4.1庫塔干渠西干渠
庫塔干渠是開~孔河流域灌區的一條主要的灌溉渠道，主要承擔向孔雀河下游灌區的輸水任務。干渠由總干渠、東干渠、西干渠組成，目前建設完成了總干渠和西干渠，東干渠即將建設。總干渠長17.8km，上段設計流量為35m3/s，加大流量40 m3/s；下段設計流量30m3/s，加大流量35 m3/s。西干渠長38km，設計流量20~10m3/s，加大流量23~10 m3/s。庫塔干渠灌溉著庫爾勒市、尉犁縣37.52×104畝的土地面積。
西干渠為梯形斷面，渠深3.3m，底寬2.15m，邊坡為1:1.5，水深為2.59m。兩邊渠堤寬度為2.5m，渠道外邊坡也為1:1.5。渠道襯砌采用70mm厚的C20預制砼板，砼板下部為60mm厚的苯板用于防凍脹。
渠基土為粉細沙，顆粒細，保水性好，屬凍脹土。經苯板防凍脹處理后，經過8年的運行，未發生凍脹破壞。
4.2開都河第一分水樞紐北岸干渠
是開都河第一分水樞紐的配套輸水干渠，開都河第一分樞紐合并了開都河兩岸多座無壩引水龍口，使兩岸引水得到了統一管理。北岸干渠全長22.9km，設計引水能力32m3/s，灌溉面積47.55×104畝。它連接了第一分水樞紐及北岸的四條引水干渠，使樞紐發揮作用，實現了用渠道輸水代替河道輸水。渠道為梯形，底部為弧形。渠深為2.4m，圓弧形底深0.4m，梯形深2.0m，渠底寬為3.0m。渠道內邊坡為1:1.75，渠堤頂寬為2.0m，其中封枯板寬為0.6m。渠道襯砌采用現澆砼板，板厚10cm。根據各渠段地基土的情況，渠道防凍脹采用了不同的形式。上段8km采用基土換填的處理方式，下段根據需要，有的地方在弧形底板下部布設了10cm厚的苯板，有的地方在邊坡上布設了苯板。渠道上段完工后，發現部分渠段出現了斷板和凍脹現象。分析原因，基本上可以得出如下結論：斷板原因為換填基土密實度未達設計要求，再加之施工單位偷工減料板厚未達設計厚度所致；凍脹原因為換填基土耒達設計要求的級配，內含細顆粒較多而造成。因此渠道防凍脹形式若采用換填的處理方式，則換填土的本身質量及施工質量對渠道能否正常運行關系較大。在施工過程中，應嚴格控制，但受施工條件的限制，這些要求達到的難度較大。北岸干渠下段采用苯板防凍脹，施工方便，防凍脹效果較好，但缺點是同換填相比較，造價較高。
4.3尉犁縣塔里木北干渠
塔里木北干渠位于尉犁縣境內，建于20世紀50年代，是尉犁縣主要棉區——古勒巴格鄉、團結鄉、塔里木鄉的灌溉渠道，灌溉面積為11×104畝。干渠現為土渠，長24.814km，渠道縱坡1/6000~1/8000，過水流量為5m3/s，過水斷面為20m2，流速0.3m/s。渠道滲漏嚴重，渠道水利用系數為0.85。
計劃對該干渠進行防滲改造，采用砼板防滲。由于渠基土為龍四系粉細砂、粉土、粘土，再加之地下水埋深淺，因此渠道受凍脹的威脅較大，防凍脹設計龍其重要。
渠道底寬1~2m，渠深1.86~2.35m，邊坡1:1.5~1:1.75，渠堤寬2.5m，封頂板寬0.3m。渠道防滲采用80mm厚的C20預制砼板。防凍脹采用了兩種形式比較，一種為砼板下鋪60mm厚的苯板保溫，一種為渠基換填40~60cm的砂礫墊層防凍脹。
苯板從庫爾勒市購進，平均運距67km，砂礫料從尉犁縣與庫爾勒市交界處的希尼爾地區拉運，平均運距30km。兩種方案的渠道斷面相同，經比較，苯板方案總投資為2611.67×104元，換填砂礫料方案總投資為3110.41×104元。方案一具有投資省、施工簡單的特點，因此塔里木北干渠的防凍脹采用鋪苯板保溫的設計形式。
5、結語
對渠道防凍脹處理方式的選擇，關系到渠道的造價和施工的難易，必須慎之又慎。苯板作為一種新型的渠道防凍脹處理方式，具有其獨特的優點。現階段巴州對苯板的運用還剛開始，一切還處于試驗摸索階段。雖然已有成功的運用例子，但需在今后的渠道設計與施工中不斷地總結經驗，進一步完善苯板的防凍理論和實際運用經驗，為這一新型防凍材料的大面積推廣應用提供條件。（考試大編輯整理）
