寧夏引黃灌區典型渠段苯板防凍脹試驗研究

武慧芳 陸立國 顧靖超

摘 要：為探究聚苯乙烯保溫板在寧夏引黃灌區襯砌渠道防凍脹中的應用效果，通過在典型渠段上建立試驗段，設置不同位置、不同厚度聚苯乙烯保溫板觀測斷面，進行氣溫、凍脹量與渠基土含水率原型觀測對比試驗。對試驗數據分析表明：聚苯乙烯保溫板能夠明顯減小渠道凍脹量，陰坡凍脹量大于陽坡的，渠坡頂點位置凍脹量最大，鋪設聚苯乙烯保溫板有改善渠基土水分遷移狀況、使基土不易發生凍脹的作用。

關鍵詞：凍脹量；土壤含水率；聚苯乙烯保溫板；寧夏引黃灌區

中圖分類號：TV41

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2018.06.033

多年來渠道凍脹一直是制約混凝土渠道運行的關鍵因素，同時防凍脹破壞也是水利工程的重點、難點問題[1-2]。筆者結合寧夏引黃灌區為季節性凍土區的地域特色，在秦渠干渠選取具有代表性的東西走向試驗段，通過設置不同位置、不同厚度聚苯乙烯保溫板觀測斷面，進行渠道氣溫、凍脹量及土壤含水率現場試驗，并對試驗數據進行分析，探究渠道保溫襯砌材料聚苯乙烯保溫板的防凍脹效果，以及保溫板厚度與凍脹量、土壤含水率之間的關系，以期為北方寒冷地區襯砌渠道防凍脹提供參考。

1 試驗段概況及觀測方法

1.1 試驗段概況

試驗段位于秦渠吳忠市秦壩關下游，樁號7+100-8+950.呈東西走向，渠道斷面形式為弧底梯形斷面，設計流量50 m3/s.渠深3.6 m，渠口寬28 m，底寬14.5 m.比降0.000 2.最大水深2.65 m，屬挖方渠道，土質為壤土，凍土深度一般為50—90 cm，最大凍深為105 cm。試驗段共設置5個觀測斷面，每個觀測斷面設置9個觀測點，測點分布圖見圖1，斷面襯砌形式見表1。

1.2 觀測指標及方法

（1）氣溫：選用CAWS100溫度雨量自動氣象站，自動記錄每天各時刻的氣溫數據。

（2）凍脹量：采用鋼筋錨固牽拉鋼絲的方法，利用直角鋼尺，測量測點距地面的垂直距離，每3d觀測一次。

（3）土壤含水率：采用TDR土壤剖面水分儀進行不同深度基土含水率的觀測，凍結前、中、后期各觀測一次。

2 氣溫觀測

2014-2015觀測年度，氣溫觀測時間為2014年11月26日至2015年3月25日，觀測總天數為120 d.氣溫變化特征值見表2，各月氣溫見表3，觀測期最高、最低和平均氣溫變化過程線見圖2。

由觀測結果可知.2014-2015年度觀測天數120 d.其中負溫天數為85 d.-10℃以下天數僅為ld.日均氣溫為-1. 25℃。日最高氣溫為19.0℃，出現在2015年3月15日：2014年12月21日出現了一次降溫，成為凍融期最低氣溫-17.7 ℃.較歷年最低氣溫-28℃高：到3月份，月平均最低氣溫為-4.2℃：凍結指數為405℃.d.較灌區歷年平均凍結指數666.7℃.d小。凍融周期氣溫整體偏高，變化平穩，出現負氣溫的天數明顯減少，也沒有出現極端天氣。由此說明，2014-2015年度凍融周期屬于暖冬。

3 凍脹量試驗分析

各測點凍脹量過程線見圖3。

測點1位于渠道陰坡（南坡）坡面最高水位處，對比該測點無保溫板和分別鋪設厚度為4、6、8、10 cm保溫板所產生的凍脹量，最大凍脹量依次為5.8、3.5、2.4、0.5、0.2 cm，可見保溫板能夠減小渠道凍脹量，且隨著保溫板厚度的增大，凍脹量逐漸減小。從凍脹量過程線可以看出.4 cm與6 cm保溫板凍脹量相近，8cm與10 cm保溫板凍脹量相近。

測點2位于渠道陰坡（南坡）1/2最高水位處，凍脹量過程線變化規律同測點1相似，最大凍脹量依次為5.5、3.1、2.0、0.7、0 cm。

測點3位于渠道陰坡（南坡）與圓弧坡腳相交處，最大凍脹量依次為3.5、2.3、2.1、1.3、1.0 cm。該測點凍脹量變化規律同測點1、2相似。

測點1、2、3均為渠道陰坡（南坡）邊坡測點，各測點凍脹量變化情況相似。無保溫板凍脹量最大，鋪設保溫板可顯著減小凍脹量，且隨著保溫板厚度的增大凍脹量逐漸減小。從觀測數據來看，測點1凍脹量最大，其原因是測點1位于渠道最高水位處，接近渠道頂點位置，受水平方向凍脹力的作用，凍脹量最大。

測點4位于陰坡（南坡）坡腳處，對比該測點20、25、30 cm現澆混凝土板所產生的凍脹量以及20 cm現澆混凝土板+4、6 cm苯板所產生的凍脹量，20、25、30 cm現澆混凝土板最大凍脹量依次為7.1、5.1、3.6 cm.20 cm現澆混凝土板+4、6 cm苯板最大凍脹量分別為1.5、1.0 cm。由以上數據可以看出，隨著現澆混凝土厚度的增大，凍脹量有小幅度的減小，說明現澆混凝土板具有一定的防凍脹能力，將20 cm現澆混凝土板與鋪設保溫板斷面測點相比較，發現保溫板能夠顯著減小渠道凍脹量，具有較好的防凍脹效果。

測點6位于陽坡（北坡）圓弧坡腳中間位置，由于該測點日照時間長，并且可利用圓弧坡腳自身的反拱作用抵抗一定的凍脹變形，因此在此位置沒有設置聚苯乙烯保溫板，斷面1至斷面5各測點凍脹量依次為1.8、2.2、2.3、2.0、1.5 cm，各斷面測點6凍脹量相差不大，凍脹量過程線多處相交、重合。將該測點凍脹量與陰坡測點4中20 cm現澆混凝土斷面凍脹量7.1 cm相比較發現，陽坡凍脹量明顯低于陰坡對應位置的凍脹量。

測點7位于陽坡（北坡）坡面與圓弧坡腳相交處，對比該測點無保溫板和鋪設4、6、8、10 cm不同厚度保溫板所產生的凍脹量，最大凍脹量依次為3.1、2.2、1.3、0.8、0.5 cm。由以上數據可以看出無保溫板斷面測點凍脹量最大，鋪設保溫板可有效減小凍脹量，且隨著保溫板厚度的增加，凍脹量均有不同程度的減小。由凍脹量過程線可知，4 cm保溫板可顯著減小渠道凍脹量，同樣6、8、10 cm保溫板都有顯著減小凍脹量的作用，但是三者凍脹量過程線相近，多處交叉重合，保溫效果相近。

測點8位于渠道陽坡（北坡）最高水位1/2位置，無苯板和分別鋪設厚度為4、6、8、10 cm苯板的最大凍脹量依次為2.8、2.4、1.0、0.9、0.5 cm。該測點凍脹量變化規律同測點7相似，無保溫板斷面測點凍脹量最大，鋪設保溫板后，凍脹量明顯減小，且隨著保溫板厚度的增加，凍脹量均有不同程度的減小。凍脹量過程線中，4 cm保溫板能夠減小一定的凍脹量，6、8、10 cm保溫板凍脹量三者過程線多處相交重合，保溫效果相近，可大幅度減小凍脹量。

測點9位于渠道陽坡（北坡）最高水位處，無苯板和分別鋪設厚度為4、6、8、10 cm苯板的最大凍脹量依次為4.2、2.7、1.2、0.8、0，6 cm。從以上數據可以看出無保溫板斷面測點凍脹量最大，即凍脹最為嚴重，鋪設保溫板能夠減小凍脹量，4 cm與6 cm保溫板可顯著減小凍脹量.8 cm與10 cm保溫板凍脹量過程線基本重合，且與6 cm保溫板凍脹量過程線相近。

測點7、8、9均為渠道陽坡（北坡）測點，其中位于渠道最高水位處的測點9凍脹量最大，規律同陰坡測點相一致。渠道陽坡受日照時間長，凍脹程度較陰坡輕一些，相同觀測年度各測點凍脹過程線變化趨勢相近，沒有鋪設保溫板斷面的凍脹量明顯大于不鋪設保溫板斷面的，并且鋪設保溫板的斷面凍脹量隨著保溫板厚度的增加而減小，當保溫板厚度超過6 cm時凍脹量減小幅度比較小。

4 土壤含水率變化

含水率測點斷面襯砌形式如下：陰坡邊坡為6 cm厚C15預制混凝土板+3 cm厚M5水泥砂漿+復合土工膜（ 0.03 cm/150 g）+6 cm厚苯板，陰坡坡腳為20 cm厚C20現澆混凝土圓弧坡腳，陽坡邊坡為6 cm厚C15預制混凝土板+3 cm厚M5水泥砂漿+復合土工膜（0.03 cm/150 g）+4 cm厚苯板，陽坡坡腳為20 cm厚C20現澆混凝土圓弧坡腳，渠底為6 cm厚C15預制混凝土板+3 cm厚M5水泥砂漿+復合土工膜（0，03 cm/150 g）。含水率觀測數據見表4，各測點凍結前、中、后期含水率見圖4。

凍結前、中、后期土壤含水率數據對比可以看出，凍結前期土壤含水率隨著測點深度增加逐漸變大，并且陰坡測點1、3大于陽坡測點9、8、7；凍結中期測點含水率均有不同程度的增大，陰坡測點含水率依然大于陽坡的：凍結后期上部測點含水率減小，但是下部測點含水率稍有增大，其原因為土壤從凍結到消融過程中，上部測點水分子不斷發生遷移以及暴露在空氣中產生蒸發等，下部測點在消融后，水分子因重力作用而向下滲流[3]。

由各測點在不同時期的土壤含水率曲線對比可以看出，測點1、3與測點7、8、9鋪設有不同厚度的聚苯乙烯保溫板，凍結前期、后期含水率雖然有一定程度的增加，但是增加幅度并不是很大，說明聚苯乙烯保溫板能夠改善基土水分的遷移狀況，使基土不易發生凍脹[4]。測點5、6、7位置沒有鋪設保溫板，凍結前期、后期含水率變化顯著，且含水率曲線在40～ 60 cm土層變化較大，其原因是土壤最大凍深在該土層范圍內，水分子在該范圍內大量聚集，使得含水率偏高。

5 結論

通過在寧夏引黃灌區秦渠骨干渠道上選取典型試驗段，對氣溫、凍脹量與土壤含水率進行觀測，并對觀測數據進行分析，得出以下結論。

（1）聚苯乙烯保溫板能夠明顯減小渠道的凍脹量，且隨著保溫板厚度的增大，凍脹量逐漸減小。受太陽輻射影響，陰坡凍脹量明顯大于陽坡的：同一觀測斷面的渠道邊坡測點，頂端凍脹量最大：現澆混凝土板有一定的減小凍脹量作用，但是減小幅度較聚苯乙烯保溫板小得多。

（2）渠基土凍結中期含水率高于凍結前期、后期。凍結前期土壤含水率隨著測點深度的增加而增大：凍結中期土壤含水率在最大凍深范圍內最大：凍土后期上部測點土壤含水率減小，下部測點土壤含水率增大。

（3）同一觀測斷面陰坡測點含水率大于陽坡的，渠底的大于邊坡的，且聚苯乙烯保溫板能夠改善渠基土水分的遷移狀況，使基土不易發生凍脹。

參考文獻：

[1] 張國軍，陸立國，影響襯砌渠道凍脹破壞嚴重的關鍵因素[J].中國農村水利水電，2012（9）：105-108.

[2]薛塞光，寧夏寒冷地區骨干渠道砌護技術研究[J].人民黃河，2012，34（1）：96-98.

[3] 郭占榮，荊恩春，聶振龍，等，凍結期和凍融期土壤水分運移特征分析[J].水科學進展，2002.13（3）：298-302.

[4]程滿金，申利剛，步豐湖，等，聚苯乙烯保溫板在襯砌渠道防凍脹中的應用研究[J].灌溉排水學報，2011，30（5）：22-27.