北京市京密引水管理处 北京市怀柔区 101400
摘要：在我国进入21世纪快速发展的新时期，渠道在农业灌溉和长距离调水工程中作为首选输水形式发挥着重要的作用。但因旱寒区输水渠道渗漏与冻胀互为因果形成恶性循环，导致渠道渗漏、冻胀、隆起、架空、失稳滑塌等冻融老化破坏普遍且严重，直接影响工程输水效率及渠道的安全运行与效益发挥。该研究着重从探究渠道冻融破坏机理而进行的室内试验和现场原型监测、工程力学模型、水-热-力耦合数值模型及防渗抗冻胀技术等方面论述了旱寒区输水渠道防渗抗冻胀的研究进展；在此基础上，指出了太阳辐射、冻融、盐渍化等复杂环境及冬季输水、水位骤降等运行工况下的渠道多场耦合破坏机理及相应的多场耦合数值模型、衬砌-冻土相互作用模型、失效准则与设计方法、防渗抗冻胀措施标准化及渠道灾变过程与防控技术等渠道防渗抗冻胀有待研究的问题和难点；探讨了完善和提升旱寒区渠道防渗抗冻胀的设计理论与方法、建立全生命周期内的灾变链动态演变预警模型等未来发展方向及趋势，为旱寒区输水渠道工程科学设计与安全高效运行提供指导。
关键词：渠道；模型；旱寒区；防渗抗冻胀；多场耦合
引言
梯形混凝土衬砌渠道因其施工方便、维护修复简单和工程耐久性强的优点而被广泛地应用输水工程中以达到提高明渠输水效率、增强渠道的防冲能力和改善水流条件的目的。衬砌渠道的渠底宽和边坡斜长是依据水力学条件来确定，而衬砌层厚度却是依据工程经验和构造要求进行设计确定。经过多年实际工程的检验，这种不进行混凝土结构设计和验算的方法对于非寒区的混凝土衬砌渠道是适用的；而对寒区的混凝土衬砌渠道，即使考虑冻胀作用的影响而特意加大了衬砌层厚度，也会因渠基土的不均匀冻结膨胀变位而致使衬砌层产生裂缝、隆起和滑塌等破坏现象，这严重影响了工程效益的直接发挥。
1渠道防渗抗冻胀技术
1）灌溉设计标准结合本项目区种植水稻的实际情况，取设计灌溉保证率为75%。2）灌溉定额水稻净灌溉定额根据规范及当地实际经验采用550m3/亩，其中包括育苗用水10m3/亩，泡插期用水130m3/亩，生育期补水410m3/亩。3）灌水率计算本项目区渠道灌溉方式采用轮灌，以七干老三支二分支渠为典型，二分支渠10条斗渠，灌水率以泡插期最大用水量为计算依据，农渠轮灌周期为3天，以此确定支渠最大灌水率为：q支=αm/（8．64T）=5．0（m3/s/万亩）。
2旱寒区输水渠道防渗抗冻胀研究进展与前沿
2.1针对地下水位较高的措施
灌区渠首位于水库下游，地下水位较高，采用M7.5浆砌石挡土墙结构型式，实施渠底干砌石。该种衬砌型式整体性较好，抗冻能力强。其缺点是衬砌断面大，造价高，渠床糙率高，在同等断面情况下，过水能力小，所以在地下水位高不需要考虑渗漏的渠首部位采用该种型式。对于地下水位高的黏性土渠段，采用换填法，将冻结深度内的黏性土换成非冻胀性材料砂砾碎石垫层，渠基含水量大大减少，有效防止了冻害的发生。
2.2冻土冻胀的多场耦合数值模型
20世纪70年代，首次提出水热耦合的水动力学模型，将土水势融入达西定律的驱动项，将水-冰相变潜热融入土体等效热容，可预测水分分布及冻结锋面的推进过程。随后根据未冻水含量与土水势间单值函数来确定水分迁移的驱动力，以土体内含冰量临界值作为土体冻胀的条件，使水热耦合模型具有了实际应用价值。刚性冰模型影响较大。
前者将水分迁移率视为冻结锋面附近的分凝势与其温度梯度之积，依赖试验测定，属于半经验性模型；后者假设冻结缘中的冰与正生长的冰透镜体紧密连在一起，以水分迁移速度作为土体冻胀速度，但参数较多影响了实际应用。将水动力学模型与力学模型相结合，视冻胀为体积应变，提出了考虑蠕变的水-热-力耦合模型，模拟效果较好。20世纪90年代，基于质量、动量、能量平衡定律提出了热力学模型，但仅能描述冻胀定性机理，实际应用局限性较大；同时基于有限元法视冻土与结构于一体，提出了冻土与结构相互作用的“冷胀热缩”热力耦合模型，物理力学概念明确、软件通用、结果合理且计算成本低；随后众多学者广泛开展了渠道冻胀的水-热-力耦合模型研究。
2.3视混凝土面层与基土的关系为刚性面层的介入
与土渠相比，作了防渗衬砌的渠道是在前者的临空面上铺设了一道防渗衬砌层。即使初始时刻土的温度、含水率等其他条件完全相同，但由于防渗衬砌层的物理热力学等方面的性质不同于渠床土，土渠的土与铺设了防渗衬砌层的渠道渠床土两者的温度、含水率也会不同。所以衬砌层便成了土渠横断面临空一侧的介入体，即把铺设衬砌层称为介入，因混凝土衬砌面层为刚性，故称此为刚性面层介入。当土渠床的横断面内全部为温度为正时，土渠床对衬砌面层仅起支承作用，在克服板自重的情况下二者可分离；而当土渠床的横断面内与衬砌层相邻的部位出现了负温时，且渠堤处的含水率大于或等于土的起始冻胀含水率，衬砌层与其相邻土体则冻结为一体，仅克服板自重也不能使二者分离。刚性面层的介入不但是减少渠道输水损失和防止冲刷破坏的需要，而且是其下含水土体冻胀的约束。因为，当刚性面层和其下含水土体冻结为一体时，二者接触面间为冰体胶结。若介入层下土体的含水率大于或等于土的起始冻胀含水率，在冻结过程中必然产生冻胀变位，而和它冻结为一体的刚性面层则限制它的冻胀变位，于是就成了它的约束。冻结为一体的坡板对渠堤土的冻胀有约束作用，而受约束的渠堤土要冻胀就改变了板原来的受力状态。冻土和坡板间的这种一个被约束和一个被改变的状态发展有两种结果：一种是被约束被改变的关系依然存在，即冻土和坡板两者的变位变形协调，两者间仍冻结在一起；另一种是解除了冻土被约束衬砌层被改变的关系，即两者的变位变形不协调，冻土和坡板间的冻结的联结方式遭到破坏，板和冻结土体分离（或冻土和坡板两者之一发生大的变形或变位），冻胀力减弱或降为零。
2.4针对沉陷裂缝的措施
灌区节水改造工程施工中一般采用机械化施工，对渠道开挖一次成形，容易超挖。为了避免超挖，应采用挖掘机粗挖、人工精挖的方法，尽量不超挖，万一出现局部超挖现象，则利用修整的土料洒水进行夯实回填。总之，回填土压实度要达到设计要求，混凝土抗冻性能能够达到设计标准，杜绝因施工质量渠道产生冻胀破坏现象。
结语
中国有关旱寒区输水渠道冻胀破坏机理试验、工程力学模型、数值模型及防渗抗冻胀技术等研究已取得长足发展，从早期的小比尺粗糙试验逐渐过渡到大型低温实验室内精确测量的大比尺试验，以及加装降温系统的冻土模型离心装置，使模型试验具有了较好的时空效应；由早期凭经验进行渠道的防冻设计，逐渐过渡到依据简明的工程力学设计方法，提升了渠道防冻胀设计理论；从早期的水-热耦合或热-力耦合模型发展到考虑冰水相变、水分迁移及横观各向同性冻胀特征的水-热-力耦合冻胀模型，更加符合冻土冻胀本质。同时，渠道防渗抗冻胀研究仍然面临着诸多理论与技术难题有待解决，如特殊土地区的冻胀、盐胀、冰盖下输水渠道的冰胀、应急快速退水导致的水胀等问题。随着中国西部旱寒区灌区建设和调水工程的大规模发展，建立复杂环境下不同规模旱寒区渠道环境荷载响应分析、安全设计、灾害防治和全寿命周期安全预警与评价的一整套具有中国特色的渠道安全理论体系是必然趋势。
参考文献：
[1]张楚汉，王光谦.我国水安全和水利科技热点与前沿[J].中国科学：技术科学，2015，45（10）：1007-1012.
[2]杨开林.长距离输水水力控制的研究进展与前沿科学问题[J].水利学报，2016，47（3）：424-435.