本实用新型涉及输水工程技术领域，特别涉及一种用于季节冻土区冬季无冰盖输水的防冻胀换填渠道结构。
背景技术：
我国东北、西北、华北处于季节性冻土区，建筑物的冻害十分普遍。而处于水土为环境的水利工程更是如此。作为我国灌区、城市供水、工业用水、水库湖泊间以及跨流域间水调配的主要输水方式的渠道，若处于季节性冻土区，则其刚性衬砌层即混凝土板冻胀破坏严重。目前，对渠道的冻胀破坏问题科研工作者已开展深入的研究，并取得了大量的研究成果，这一问题也得到了较好的解决。但是，这些成果绝大多数是针对冬季停水渠道。对于冬季输水渠道的研究成果则是重点在冰害和冰情方面。
目前大多数渠道抗冻胀破坏设计不区分渠道冬季运行情况的。换言之，人们认为：渠道全断面冻结时受到的冻胀破坏作用最为严重，只要解决了全断面冻结时（对应为冬季停水时）的渠道冻胀破坏问题，将全断面冻结时（对应为冬季停水时）渠道冻胀破坏问题的解决方法直接应用于冬季输水渠道，则所有渠道的渠基土的冻胀问题就根本彻底地解决，结合冬季输水渠道的冰害研究成果，则所有渠道的冻胀和冰害问题就全部解决。然而，工程实践（玛纳斯河一级电站引水渠的破坏情况，该引水渠采用的一布一膜+混凝土板的衬砌结构）表明既使采用了防冻胀破坏措施，冬季输水渠道仍有冻胀破坏现象。而山区渠道暖季停水检修或渠内水深较小时，在压差作用下地下水对一（二）布一膜+混凝土板衬砌结的渠道板顶起，而又放水时衬砌板又被冲移变位翻毁。即当前常采用的一（二）布一膜+混凝土板衬砌结构渠道既面临着冬季冻胀破坏又有暖季地下水顶起破坏。因此，有必要进一步对用于冬季无冰盖输水渠道的防冻胀破坏技术及输水渠道进行研究。
技术实现要素：
本实用新型针对现有技术不足，提出一种用于季节冻土区冬季无冰盖输水渠道防冻胀破坏的置换结构，克服了现有渠道采用的柔性+刚性衬砌的防冻胀破坏形式在冬季输水渠道中应用效果不佳的问题。能够确保冬季输水渠道不产生冻胀破坏和暖季停水时也不发生渠外水压力的顶起破坏。不仅可以起到常规置换渠基土的防冻胀效果，而且可节省换填土方量，降低成本，节约资源，保护环境。
本实用新型所采用的技术方案：
根据季节冻土区冬季无冰盖输水渠道的冻胀特点，充分利用冬季渠水的保温作用，采用非全断面置换砂砾石，即将渠道边坡上部冻结深度范围内的冻胀性渠基土被置换为非冻胀性土——砂砾石，砂砾石层下边及两侧边铺设具有反滤功能的土工织物，渠坡顶的砂砾石填土层6顶部铺设防渗层1，且在砂砾石填土层6最低部、离渠坡面最远的位置沿渠铺设集水管11，并设置若干集水暗井和配套的抽水设施。
所述的用于季节冻土区冬季无冰盖输水渠道防冻胀破坏的置换结构，砂砾石填土层6顶部铺设的防渗层1为上有土防护的土工防渗膜布或混凝土板，且土工防渗膜布或混凝土板的宽度大于砂砾石层的水平宽度。
所述的用于季节冻土区冬季无冰盖输水渠道防冻胀破坏的置换结构，渠道边坡下部未冻结区域内的冻胀性渠基土不置换，且边坡混凝土板与其下部未冻结区域的渠基土之间亦铺设具有反滤功能的土工织物，并在未冻结区域内的混凝土板上加倾向于渠内且向渠内排水的逆止阀。
所述的用于季节冻土区冬季无冰盖输水渠道防冻胀破坏的置换结构，砂砾石填土层6下表面低于渠内水面，且两者距离不小于渠边坡砂砾石填土层等效冻深与坡角余弦之积；砂砾石层等效冻深为原渠基冻土的热阻与砂砾石的导热系数之积（置换率为100%时）。
所述的用于季节冻土区冬季无冰盖输水渠道防冻胀破坏的置换结构，渠道横断面中，砂砾石填土层的水平宽度不小于渠边坡的砂砾石等效冻深与坡角正弦之商；砂砾石层等效冻深为原渠基冻土的热阻与砂砾石的导热系数之积（置换率为100%时）。
所述的用于季节冻土区冬季无冰盖输水渠道防冻胀破坏的置换结构，砂砾石层两侧边及底边铺设的具有反滤功能的土工织物，将砂砾石层包裹在土工织物内，顶部的土工织物折向砂砾石层并平铺在防渗层下。
所述的用于季节冻土区冬季无冰盖输水渠道防冻胀破坏的置换结构，集水暗井设置在未置换的渠基内距砂砾石外侧2-3米外，集水管内水通过与集水管相连的排水管排至集水暗井中，集水暗井配备相应的抽水设备将集水暗井中水抽至渠中。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型在现有的工程技术基础上提出了适用于冬季输水的渠道的置换结构，即仅部分渠基土被置换为砂砾石，就能够克服现有渠道采用的柔性+刚性衬砌的防冻胀破坏措施在冬季输水渠道中应用效果不佳的问题。与常规置换结构相比，可减小换填土方工作量，节约人力和物力，降低成本，节约资源。而且解决了季节冻土区冬季输水渠道的冻胀破坏问题，不仅提高渠道的渠系水利用系数，大大缩短了暖季维修时间，降低维修成本，增加运行时间，提高了冬季输水渠道全年的输水效率，降低了渠道非冻胀破坏的几率，极大地延长了渠道使用年限。其带来的经济效益是显著的。
2、本实用新型用于季节冻土区冬季无冰盖输水渠道防冻胀破坏的置换结构，克服了全断面换填法在冬季输水渠道中水下部分置换层在渠水保温作用下还没有充分发挥其防冻胀破坏的作用的弊端，即水下部分冻胀性渠基土没必要置换；若是在此置换结构中，结合工程场地、地下水位等多方面情况综合考虑，渠道加设集水、排水或在坡面上设置逆止阀等设施，也能缓解或解除冬季输水渠道冬季未冻胀破坏而暖季渠道检修等不过水或过水量小情况下地下水反渗入渠时衬砌板的顶起破坏作用，可一定程度上缓解或解决渠道的这一破坏现象。
3、本实用新型提出的置换结构，对于冬季无冰盖输水渠道，在渠基土条件、水力条件和刚性衬砌层厚度均相同情况下，可以消除渠道的冬季冻胀破坏作用，而暖季停水时渠道也不发生因渠外水压力的顶起破坏。对于冬季停水渠道来说，不仅可以减小渠道衬砌层下的冻胀力、且因减小受压细长构件的高厚比而提高了渠道边坡板抗冻胀能力，因此，也可用该方法来提高冬季过水渠道的衬砌层的抗冻胀破坏能力。本专利所述的渠道防冻胀破坏的置换结构，可一定程度上缓解或解决渠道的这一破坏现象。
附图说明
图1为季节冻土区冬季无冰盖输水防冻胀渠道横断面图；
图中：1.防渗层，为上有土防护的土工防渗膜布或现浇压顶混凝土板；2.边坡混凝土板；3.渠底混凝土板；4. 土工织物；5.渠基土；6.砂砾石填土层；7.冬季渠内水深；8.砂砾石层的水平宽度 9.砂砾石层底距渠内水位面的距离；10. 砂砾石填土层等效冻深；11.集水管；12.逆止阀。
具体实施方式
现有的渠道换填，是在渠底和两边坡的冻深范围内的冻胀性渠基土置换为一定厚度砂砾石层，即全断面上换填，而本专利所提的置换法是渠底和渠边坡不冻区域的基土不置换，仅将渠边坡冻结区域内的基土土置换为砂砾石，砂砾石层顶做防水，用土工织物做反滤层，并配备相应的排水设施。下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
如图1所示，本实用新型用于季节冻土区冬季无冰盖输水渠道防冻胀破坏的置换结构，根据季节冻土区冬季无冰盖输水渠道的冻胀特点，充分利用冬季渠水的保温作用，采用非全断面置换砂砾石，其特征在于：在渠道边坡上部冻结深度范围内的冻胀性渠基土被置换为非冻胀性土——砂砾石，砂砾石填土层6下边及两侧边铺设具有反滤作用的土工织物4，渠坡顶的砂砾石填土层6顶部铺设防渗层1，且在砂砾石填土层6最低部、离渠坡面最远的位置沿渠铺设集水管11，并设置若干集水暗井和配套的抽水设施。
实施例2
参见图1，本实施例的用于季节冻土区冬季无冰盖输水渠道防冻胀破坏的置换结构，与实施例1的不同之处在于：砂砾石填土层6铺设的防渗层1为上有土防护土工防渗膜布或混凝土板，土工防渗膜布或混凝土板的宽度大于砂砾石层的水平宽度。
实施例3
参见图1，本实施例的用于季节冻土区冬季无冰盖输水渠道防冻胀破坏的置换结构，与实施例1或实施例2的不同之处在于：渠道边坡下部未冻结区域内的冻胀性渠基土虽不置换，但在边坡混凝土板与其下部未冻结区域的渠基土之间亦铺设具有反滤功能的土工织物，并在未冻结区域内混凝土板上加倾向于渠内且能向渠内排水的逆止阀12。
本实用新型用于季节冻土区冬季无冰盖输水渠道防冻胀破坏的置换结构，砂砾石填土层6下表面低于渠内水面，且两者距离不小于渠边坡砂砾石填土层等效冻深与坡角余弦之积；砂砾石层等效冻深为原渠基冻土的热阻与砂砾石的导热系数之积（置换率为100%时）。
渠道横断面中，砂砾石填土层的水平宽度不小于渠边坡的砂砾石等效冻深与坡角正弦之商；砂砾石层等效冻深为原渠基冻土的热阻与砂砾石的导热系数之积（置换率为100%时）。
砂砾石层两侧边及底边铺设的具有反滤功能的土工织物，将砂砾石层包裹在土工织物内，顶部的土工织物折向砂砾石层并平铺在防渗层下。
集水暗井设置在未置换的渠基内距砂砾石外侧2-3米外，集水管内水通过与集水管相连的排水管排至集水暗井中，集水暗井配备相应的抽水设备将集水暗井中水抽至渠中。
按现有的施工工艺压实渠基土。在压实的渠基土上用现有方法敞口开挖要置换部位的沟槽，开挖深度为置换的砂砾石层的厚度，在渠坡槽侧和槽底按现有技术进行土工织物的铺设，沟槽内铺设带反滤层防护的渗水管，将水排至砂砾石层旁的原渠基土内的集水暗井中，并配置相应的抽水设施。回填砂砾石层。将两砂砾石层间的原土及下部渠土体挖出，并修坡形成渠槽，整个渠槽坡面用土工织物的铺设，砂砾石层底的土工织物上折在渠坡面的土工织物下。坡面和渠底铺设或浇筑混凝土成衬砌板，水面下渠坡混凝土板上设有倾向于渠内且向渠内排水的逆止阀。