本发明涉及一种应用于季节冻土区的输水渠道抗冻胀破坏方法，尤其是涉及一种消除季冻区冬季无冰盖、高水位运行的输水渠道冻胀破坏作用的设计方法。
背景技术：
预制混凝土板衬砌渠道具有防冲、防渗能力较强，施工快捷的优点，但应于北方输水工程中时常因渠基土的冻胀作用而发生裂缝、隆起甚至滑坡的破坏现象。为了解决渠道的冻胀破坏，一方面人们提高渠道的抗冻胀能力，将预制混凝土板改为了现浇混凝土板，甚至将混凝土的厚度由5cm提高到10cm，甚至更大；另一方面，人们根据产生土体冻胀的三大因素，对刚性渠道采用保温、防水以及土体换填的三大类防冻胀破坏方法来减弱（或消除）渠道基土的冻胀以降低（或减弱）对衬砌层的破坏作用。除了这些措施外，也常常运用一些结构措施来适应渠道的冻胀变化，从而使作用在渠道衬砌层上的冻胀力值减小，如小型渠道用U型结构，在大中型渠道中采用弧形底斜边坡的断面形式。
近几年，在我国北方输水渠道中广泛采用梯形混凝土衬砌，并在混凝土衬砌层下加铺设了一或二布一膜土工织物。这些防冻胀破坏成果广泛地应用到各级输水渠道中，取得了较好的经济效果。而这些防冻胀方法，也已经以规范的形式指导和运用于工程实践，如：1）渠道断面形式和衬砌结构根据渠道大小可采用整体式混凝土U形或矩形槽、混凝土板和土工膜结构的弧形或弧底直边坡的断面，砌石衬砌或其它适宜的防抗冻胀破坏结构型式；2）冬季输水时宜采用窄深式的弧形渠底+矩形或梯形断面渠道冰盖下明流、满流输水或无冰盖过水。所以，无论渠道冬季是否过水，都是通过水力计算确定横断面上衬砌长度，而衬砌厚度则是依据工程经验和构造要求确定【中华人民共和国国家标准.水工建筑物抗冰冻设计规范GB/T50662-2011[S].北京：中国计划出版，2011】，这是因为人们认识到冬季输水渠道的基土不像冬季停水渠道的基土在渠道整个横断面上全部冻胀，而是仅在渠内水位面以上边坡部位冻胀，相同条件下，冬季输水渠道的基土冻胀变形（或总的冻胀力）不如全断面冻胀得那么大，所以衬砌层破坏程度也就比冬季停水渠道的轻，因而用冻胀作用较大的全断面冻胀情况下（即冬季停水运行条件）的设计方法进行冬季输水渠道的设计，就更安全了。
但是事与愿为，如：南水北调工程从石家庄至北京总干渠采用了换填和保温法两种防冻胀破坏措施【王流泉,赵文清,姚丽华.南水北调中线工程渠道防冻胀设计中的几个问题[J].南水北调与水利科，2004，2(5):9-14.】，新疆乌什水水库冬季引水渠采用冰盖下明流【曹兴山，陈志孟. 寒区冬季输水渠道冻胀破坏机制与防治——以新疆乌什水水库引水渠为例[J].地质灾害与环境保护，2005，16(4):405-409.】，这两个工程的输（引）水渠运行2、3年都出现了不同程度的冻胀破坏。这充分说明：即使所有条件完全相同的渠道，仅因冬季是否过水的不同，运行后的渠道破坏情况就不一样。适用于冬季停水渠道的防冻胀破坏的方法不一定就能适用冬季输水渠道。因此必须对两种运行方式的渠道分别进行各自独立的设计、研究，不能合二为一的考虑。
近年来，广泛采用刚柔相济的衬砌形式，即在混凝土衬砌层下加铺一或二布一膜等土工织物。对于冬季停水的渠道来说，与仅有混凝土板衬砌的渠道相比，一或二布一膜+混凝土的双防衬砌形式确实大大降低了渠道冻胀破坏的程度。虽然对位于季节冻土区的全冬期输水渠道来说，加铺土工膜的衬砌结构形式较无土工膜的也有较好的防渗效果，从而减小基土的冻胀因素的影响强度，保证达到防冻胀效果。但据现场调查，既使采用了目前较先进的衬砌结构---一或二布一膜+混凝土衬砌方式于全冬季输水渠道中，但混凝土衬砌层仍有破坏现象。
因此，在人们仅知道冬季输水的渠道刚性衬砌层下表面有渠床土的冻胀破坏作用而对冬季输水渠道衬砌层的冻胀破坏机理不明确以及不能判定冻胀力类型及设计值的情况下，寻求彻底解决冬季输水渠道的防冻胀破坏的方法，不失为一种解决季节冻土区冬季输水刚性渠道破坏的有效方法。
技术实现要素：
目前，冬季输水梯形混凝土渠道因水面线以上的渠基土的冻胀而其下土体不冻结，整个渠道横断面上仅有部分土体冻结，即渠边坡板下总的冻胀范围减小，也即冻胀力的作用面积减小。但是，其破坏作用是否就小，这很难判定。因为人们还没有完全掌握冬季运行情况下梯形渠道衬砌层的冻胀破坏的机理。
本发明针对目前人们对季节冻土区冬季输水渠道的冻胀破坏机理认知不清的技术现状下，为解决季节冻土区冬季输水渠道因渠基土冻胀作用下的渠道破坏问题，提出了一种消除季冻区冬季高水位运行的输水渠道冻胀破坏作用的方法。
本发明应用于整个冬季期间无冰盖且有较高恒定水位运行的季节冻土区梯形刚性渠道设计中，保证了刚性衬砌层下无冻胀力存在，即边坡板下渠床土因渠内水体保温而不冻结，而无渠内水体保护的直立部分因渠外无填土故无冻胀作用。
本发明所采用的技术方案：
一种消除季节冻土区冬季无冰盖、高水位运行的输水渠道冻胀破坏作用的方法，包括以下几个方面：
1）输水渠道刚性衬砌渠道横断面采用复合断面形式，在渠岸或堤顶面以下为梯形断面，而渠岸或堤顶面以上为矩形断面；
2）为了利用渠内水的比热容高的特点，渠内水对渠基土起到保温作用，达到渠基土在整个冬季期不冻结的目的，从而消除输水渠道的冻胀，所以整个冬季渠内水位面不得低于渠岸或渠堤顶面；
3）渠道矩形断面的挡水墙渠外侧无土，即渠岸或渠堤顶面以上的直墙墙后无土，自然就无土的冻胀作用。
所述的消除季节冻土区无冰盖、冬季高水位运行的输水渠道冻胀破坏作用的方法，1）按冬季正常运行时的设计流量计算水深并据此确定梯形渠槽深度；
2）按全年最大供水流量进行计算复合断面的水深；
3）在复合断面水深的基础上充分考虑渠道末端用水情况、运行工况，综合确定安全超高；
4）复合断面的水深与安全超高之和为总渠深；
5）对选定材料的挡水直墙进行全年最高水位运行工况下的强度验算，并进行挡水直墙在水压力作用下的抗滑稳定和抗倾覆验算，以此设计挡水直墙厚度。
本发明的有益效果：
1、本发明为一种消除季冻区冬季无冰盖、高水位运行的输水渠道冻胀破坏作用的方法，输水渠道采用复合断面形式，与目前大中型渠道上采用的弧底梯形的混凝土渠道相比，现浇混凝土修筑梯形渠道具有架立模板方便、施工简单的优点。而预制混凝土修筑梯形渠道除了具有施工方法简单，还有施工期短、进度快的优点现有技术中的衬砌断面形式的改变（如弧形底直边坡、U形渠道）都是为了使渠道衬砌层适应季节冻土区渠基的冻胀变位以减小冻胀破坏作用。为了提高渠道的抗冻胀破坏能力，减小或调整不均匀冻胀，改预制混凝土板为现浇混凝土衬砌，甚至增大刚度，板厚由5cm提高到10cm甚至15cm。而其它保温法、换填法以及隔水法不仅增加了新的材料，而且增加新的施工工序。即使采取了其它防冻胀破坏方法，对冬季输水渠道来说，防冻胀效果究竟如何，还有待进一步考究。
2、本发明消除季冻区冬季高水位运行的输水渠道冻胀破坏作用的方法，提出的复合断面形式在相同的过水流量下仅通过改变渠道的横断面形式，不增加圬工量的基础和新材料即可利用渠内水的热比容高的优点使渠道渠基土温度大于零，消除了渠道的冻胀，渠道也就不再因基土冻胀而发生各种类型的破坏。此外，预制混凝土板原来在各级渠道都应用，因不能适应或调整渠基土的不均匀冻胀受到限制，目前仅能用于小型渠道中。而本发明应用还可恢复预制混凝土板的适应范围，并且板厚不在有抗冻胀的要求，仅需满足常规要求。若在本发明基础上再结合其它保温、换填和隔水措施会使渠道的防冻胀破坏效果更加突出。
3、本发明仅通过渠道横断面形式改变仍能保持相同的水力要求，便可利用渠内水的比热容较大的优点使渠基土不冻结，也就无冻胀作用，从而根本上保证了季节冻土区的混凝土防渗渠具有防渗功能。若在冬季平均气温较高的季节冻土区，高温冻土区若再采取其它融冰方法，季节冻土区的冬季输水渠道就不会发生因负气温带来的冻害和冰害。本发明所提出的复合断面形式的渠道的附带优点为减小了土方量、圬工量和占地面积，且渠道衬砌板可商品化，易实现机械化流水施工。其直接经济效益显而易见，而间接和社会效益无法估量。
附图说明 图1是本发明全冬季输水刚性衬砌渠道复合断面结构示意图；
图中，标号1表示渠内水面线；标号2表示现浇或预制刚性衬砌层；3为刚性挡水墙；4为现浇或预制刚性衬砌层底板；5为冬季正常水深。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
参见图1。本发明消除季节冻土区冬季无冰盖、高水位运行的输水渠道冻胀破坏作用的方法，包括以下几个方面：
1）输水渠道刚性衬砌渠道横断面采用复合断面形式，在渠岸或堤顶面以下为梯形断面，而渠岸或堤顶面以上为矩形断面；
2）为了利用渠内水的比热容高的特点，渠内水对渠基土起到保温作用，达到渠基土在整个冬季期不冻结的目的，从而消除输水渠道的冻胀，所以整个冬季渠内水位面不得低于渠岸或渠堤顶面；
3）渠道矩形断面的挡水墙渠外侧无土，即渠岸或渠堤顶面以上的直墙墙后无土，自然就无土的冻胀作用。
实施例2
参见图1，本实施例的消除季节冻土区无冰盖、冬季高水位运行的输水渠道冻胀破坏作用的方法，与实施例1的不同之处在于，进一步的：
1）按冬季正常运行时的设计流量计算水深并据此确定梯形渠槽深度；
2）按全年最大供水流量进行计算复合断面的水深；
3）在复合断面水深的基础上充分考虑渠道末端用水情况、运行工况，综合确定安全超高；
4）复合断面的水深与安全超高之和为总渠深；
5）对选定材料的挡水直墙进行全年最高水位运行工况下的强度验算，并进行挡水直墙在水压力作用下的抗滑稳定和抗倾覆验算，以此设计挡水直墙厚度。必要情况下，对挡水直墙进行地基基础的设计。
本发明采用输水渠道的形式为复合断面，即渠岸或渠堤顶面以下为梯形断面而渠岸或渠堤顶面以上为矩形断面，并且全冬季渠内水位都不小渠岸或渠堤顶面。其原理利用渠内水的保温作用使渠堤土在整个冬季期不冻结，而渠岸或渠堤顶面以上的挡水直墙墙后无土，自然在渠道边坡板下和直墙后均无冻胀力的存在，从而消除渠基土对渠道刚性衬砌层的冻胀作用，并且渠道刚性衬砌板可预制。实现了渠道混凝土产品商品化，可流水施工修建渠道，缩短工期。