聚苯乙烯泡沫板在疏勒河灌區中的實驗應用

趙國榮

摘 ?要：疏勒河灌區近年來由于渠道凍脹等問題，影響灌區的正常運行。為此，疏勒河灌區為解決灌區的凍脹問題，在部分改建渠道上試驗、使用了聚苯乙烯泡沫板，但是該材料的應用并沒有從根本上解決灌區的凍脹問題，經過試驗發現，采用苯板的渠道依然存在凍脹破壞現象。文章經過分析渠道的抗凍脹機理，最終通過總結疏勒河灌區實施的抗凍脹試驗，提出了采用聚苯乙烯泡沫板做為抗凍脹材料的改善措施。

關鍵詞：疏勒河灌區;渠道;凍脹破壞;聚苯乙烯泡沫板;實驗應用

中圖分類號：TV49 ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1006-8937（2015）06-0036-02

1 ?項目背景

疏勒河灌區經過幾十年的運行，部分渠道及渠系建筑物存在的凍脹破壞等問題，影響灌區的正常運行。在這種情況下，灌區在改建部分渠道時使用了聚苯乙烯泡沫板，通過灌區運行單位對該材料的試驗、應用，發現也存在著一些問題。由于渠道凍脹主要是渠基土受凍體積膨脹頂托襯砌塊而形成。凍脹破壞必須具備以下三個因素：

①持續的負溫條件。

②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。

③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。

目前疏勒河灌區渠道基本滿足這三個條件，并且以中下游渠道凍脹破壞最為嚴重，這是因為地下水位越淺，土的凍脹量也越大。土質條件相同時，地下水埋藏深度與土體凍脹性近于反比關系。而灌區中下游地下水位埋深淺，其次由于大水漫灌，土體中自由水和毛細水的補給十分充足，這導致在冬季由于持續低溫引起土體膨脹，頂托襯砌塊，破壞渠道。

在疏勒河灌區渠道抗凍脹設計有兩種方案：

①置換砂礫石墊層。

②采用聚苯乙烯泡沫塑料板。

由于砂礫石墊層方案運用條件已經非常成熟，所以不再論述，此次就聚苯乙烯泡沫塑料板近年來在疏勒河灌區的試驗、實踐進行分析。

2 ?聚苯乙烯泡沫板在疏勒河流域的試驗

2.1 ?在疏勒河的第一次試驗

2.1.1 ?試驗設計

2007年在疏勒河流域雙塔總干渠4+000～4+200段進行了聚苯乙烯泡沫板實驗，該渠段為弧底半徑0.750 m，邊坡1？誜1.5，渠深2.950 m，渠口寬9.758 m，縱坡1？誜425，用12 cm厚的聚苯乙烯保溫板防凍脹，上鋪3cm厚MS水泥砂漿找平層，10 cm厚C20預制混凝土板襯砌。

對比方案為相同水力要素下總干渠4+200～25+350段采用預制C20混凝土板襯砌+砂礫石墊層防凍脹的弧底梯形渠。對渠基進行原土開挖、夯實，換填粒徑3～40 mm砂礫石墊層，渠底、陰坡厚100 cm，陽坡厚80 cm，干容重≥2.0 t/m3，密實度≥75%，采用（100 g/0.3 mm/100 g）二布一膜防滲，上鋪3 cm厚MS水泥砂漿找平層，10 cm厚C20預制混凝土板襯砌。同時每隔100 m增加一個直徑約1.2 m的滲井，滲井穿透隔水層，開挖后回填粒徑10～40 mm礫石。

2.1.2 ?試驗結果

該試驗段于2007年10初建成投入使用，2007年11月10日停水，停水時外界氣溫已達到-6 ℃，經歷了2008年1月最低溫度-30 ℃的低溫考驗，經過肉眼觀測，在雙塔總干渠4+000～4+200段沒有發現凍脹破壞。但該渠段設計時沒有引進先進的試驗設備，只能粗略通過肉眼觀測，對聚苯乙烯泡沫板在渠底的保溫不能進行定量的判斷。

2.2 ?在疏勒河的第二次試驗

2.2.1 ?試驗設計

2011年，第二次苯板試驗在昌馬東干六支渠和雙塔北干七支三分支渠進行，其中昌馬東干六支渠渠口寬2.11 m，渠深0.69 m，邊坡系數1.25，砂礫石墊層厚度為40～70 cm;雙塔北干七支三分支渠渠口寬3.53 m，渠深1.08 m，邊坡系數1.25，設計流速1.25 m/s，砂礫石墊層厚度為60～30 cm;在原設計渠道斷面、水利要素不變的前提下，用密度20 kg/m3保溫板置換砂礫石墊層，渠道底、陰坡保溫板設計厚度12 cm，陽坡厚度8 cm。自2013年9月21日開始，每旬逢1、6日上午9點至12點時段內現場觀測，2014年5月15日結束觀測。設置3個渠段進行試驗，其中1個渠段試驗為砂礫石墊層作為對比。其余2個試驗段作為聚苯乙烯保溫板試驗，每個試驗段均在渠道陰坡和陽坡的上部（77%L處，其中渠邊坡長為L）、中部（50%L處）、下部（23%L處）及渠底（渠中心線處）布設變形觀測點，在陰、陽坡的渠堤緊靠聚苯乙烯保溫板豎直埋設土壤含水量觀測孔。在陰坡、陽坡的上、下部位布置不同深度的地溫觀測點見表1。

2.2.2 ?試驗結果

地溫觀測布置了8個點，其中陰坡不同深度布置4個點，渠底不同深度布置4個點。通過對陰坡、渠底觀測數據來看，除埋深在20 cm的點位存在個別出現負溫意外，其他各點位數據都在0 ℃以上。在氣象日觀測平均氣溫在-11 ℃時，地溫均在0 ℃以上，聚苯乙烯保溫板起到了渠基的保溫作用。

2.3 ?試驗總結

通過對昌馬東干六支渠和雙塔北干七支三分支渠進行試驗分析，渠道底部基礎沒有產生凍脹破壞，但是渠堤產生了凍脹破壞。那么如果人為的破壞產生凍脹的三要素，就能夠保證渠道不再產生凍脹，那么能做的就是置換凍脹土和減少渠坡處的水分。而如果置換凍脹土，這與之前的砂礫石墊層置換是相同的，且這種方法無法使用聚苯乙烯泡沫板，所以如果采用聚苯乙烯泡沫板，那么就不能采用置換凍脹土的方法。那么就只有采取措施破壞土壤中的水分，從而達到抗凍脹的效果。該設計在渠坡處設置一個砂井，從而將渠坡的水分收集到砂井中，當砂井內的水位高于渠底以上10 cm時通過防淤堵式逆止排水器將水分排到渠道，從而保證渠底以上10 cm范圍內無水，10 cm以下部分即使有水，但是由于苯板的保溫作用，溫度>0 ℃，不會產生凍脹，從而從根本上解決渠道的抗凍脹問題。

3 ?結 ?語

渠道的抗凍脹問題一直是疏勒河灌區中渠系產生破壞的重要原因，為了從根本上解決這一難題，疏勒河灌區運行單位為苯板的應用做出了巨大的努力。而苯板作為一種新型的抗凍脹材料，已經在各大灌區內得到實踐應用，但是采用苯板后渠道的后續凍脹問題仍然存在，那么如果采取措施從根本上解決由于采用苯板而導致的渠坡凍脹問題，那么這將為苯板的大面積推廣有著里程碑意義。

參考文獻：

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