季節性凍土區渠道襯砌防凍脹措施試驗研究

趙 真，呂正勛，何芳嬋

(1.靈寶市窄口庫區管理局，河南 三門峽 472500； 2.河南省水利工程安全技術重點實驗室，鄭州 450003； 3.河南省水利科學研究院，鄭州 450003)

1 概 述

根據凍土土體處于凍結狀態持續時間的不同，一般可分為短時凍土、季節性凍土以及多年凍土[1-3]。在我國，季節性凍土分布范圍廣，約占國土面積的53.5%，主要分布在北緯30°以北地區，且大多數屬于干旱半干旱水資源短缺地區。季節性凍土區的灌區輸水渠道襯砌易受基土凍融循環作用產生破壞，影響防滲效果，造成大量水資源的嚴重浪費。

2 渠道襯砌防凍脹措施研究現狀

在渠道防凍脹措施研究方面，目前主要集中在選擇合理襯砌結構、材料、斷面形式，同時應用換填、隔熱、保溫等削減或適應凍脹的措施[4-9]。如楊洪文[10]通過試驗指出置換措施受田間回歸水影響，置換層易被細顆粒淤塞而縮短工程壽命，且造價較高。張欣[11]等通過試驗證明，苯板可提高渠基土溫度，減小凍脹量，并建議鋪設苯板厚度不低于6 cm，陽坡部位鋪設厚度可適當減小。袁安麗[12]通過試驗證明格賓網墊通過自身的形變可有效適應渠道邊坡土體凍脹融沉所產生的變形，降低渠道邊坡土體的凍前含水量，減小基土凍脹量，增加熱阻。申蓮[13]通過試驗得出在非凍脹性土缺乏的地區與置換法相比，保溫板方案在施工方法、適應范圍、經濟上具有明顯的優越性。

如何找到一種既經濟適用又能有效解決河南地區季節性凍土區的渠道襯砌凍脹問題，是本文研究的重點，筆者選擇本省受凍脹影響較大的廣利灌區進行多種形式的防凍脹措施試驗研究，最終推薦一種既經濟又有明顯效果的防凍脹措施。

3 現場試驗

廣利灌區位于河南省西北部，屬季節性凍土區，溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫14.2℃～14.8℃，絕對最低氣溫-16.4℃。近年來，隨著國家加大對灌區節水改造配套工程的投入力度，渠道進行混凝土襯砌改造發展得很快，數量越來越多，但渠道襯砌凍脹破壞問題時有發生，特別是在渠道陰面和地下水位過高的渠段，造成水資源的浪費和工程管理成本的增加。

3.1 試驗設計

影響渠基土凍脹的主要因素為渠基土土質、水分條件、溫度條件以及受力條件等，結合灌區情況，設計3種渠道襯砌結構形式的現場試驗。通過溫度傳感器和含水量傳感器監測渠道陰面水位以下和水位波動帶，距離襯砌表面不同深度的地溫、土壤含水率和地下水位。試驗段渠道深3 m，正常輸水位水深1 m。因此監測設備分別布在距渠底深50和100 cm，距坡面垂直深度20和50 cm處。具體的襯砌結構形式和監測儀器編號見表1。

表1 試驗段渠道襯砌結構型式

3.2 觀測數據與分析

試驗觀測周期為一個凍融周期，分別獲取3種試驗類型的氣溫、地溫、土壤含水量、地下水位等數據。具體時間為當年12月7日至次年3月6日共計90天，其中負溫天數69天，最低氣溫-9.0℃(發生時間是1月2日)，最高氣溫24.0℃(發生時間是3月6日)，高低溫之差33℃。

3.2.1 地溫監測結果分析

表2為觀測期內地溫的特征值。從表2可以看出，Q1，Q2，Q3方案的最高溫度平均值分別是10.98℃，9.18℃，10.63℃，即Q1>Q3>Q2；Q1，Q2，Q3方案最低溫度的平均值分別是-2.8℃，-0.83℃，-1.33℃，即Q2>Q3>Q1；Q1，Q2，Q3方案最高最低溫度之差的平均值分別是13.78℃，10.00℃，11.95℃，即Q1>Q3>Q2。綜合以上結果，保溫效果最好的是Q2方案，其次是Q3方案，然后是Q1方案。表2數據縱向比較觀測點1、2、3、4，水位變化區觀測點的最低溫度與水下觀測點的最低溫度相差0.5℃。從最低氣溫和最低地度的發生時間上分析，地溫最小值的發生時間滯后于氣溫最小值的發生時間約40天左右。觀測期地溫是先降低后升高的趨勢，地溫與氣溫的變化規律一致。但氣溫最大最小值之差33℃，地溫是10℃到13.78℃，小了將近20℃，地溫的變化相對平緩很多。

3.2.2 含水量監測結果分析

表3為觀測期內監測點的含水量情況。從表3可以看出，3種試驗類型的起始含水量大部分已經達到15%，超過該種土壤的起始凍脹含水量，是造成凍脹加劇的首要原因。當灌區輸水結束后，基土含水量基本已處于完全飽和狀態，再加之此時該地區的日最低氣溫已經降至0℃以下，基土的表層已開始凍結。隨著溫度的下降，在凍土層內形成一個凍結鋒面，隨著溫度持續下降，會有源源不斷的水向凍結鋒面不斷遷移，使凍結層內水份大量聚集，造成基土的含水量持續增大，在負溫下使得基土膨脹，從而造成凍脹更加嚴重。在融化期，隨著地溫的逐漸升高，基土也慢慢開始融化，凍土融化后基土的含水量也逐漸降低，凍脹慢慢減小，渠體復位，但是一般會有剩余凍脹量，逐年的剩余凍脹量累加會導致渠道襯砌的開裂破壞。

表2 地溫監測結果特征值

表3 含水量監測結果特征值

從觀測數據看，Q2方案和Q3方案在同樣位置的含水量要低于Q1方案，說明保溫板和土工布及碎石墊層，對降低襯砌下部的含水量有一定作用，對發生凍脹破壞有延緩作用。

3.2.3 地下水位監測結果分析

基土的含水量超過一定值時會發生凍脹，但若無地下水補給，凍脹量會較小，凍害較輕。如果凍結期間有地下水補給，水向凍結封面不斷遷移，凍結產生的凍脹量會較大，對渠道防滲工程造成的破壞則更為嚴重。試驗段地下水位觀測具體見表4。

表4 地下水位監測結果

表4可看出，地下水位在渠道停水時最淺，在渠底以上0.8 m左右，隨著時間的推移，地下水位在逐漸下降，進入凍結期，地下水位降至渠底以上0.3 m。在凍結期間，地下水位對渠道基土具有水分補給條件，這是造成基土凍脹量較大的主要原因，也是造成混凝土襯砌下部較中上部凍脹量大的主要原因。在這種情況下，采用保溫措施，目的就是減少凍層深度，減弱或消除基土薄膜水的存在，以降低基土含水量，減弱或擺脫地下水對凍結峰面的補給，從而減少基土凍脹量。

4 結 語

含水量和溫度是造成土體凍脹的必要條件，當土中含水量達到該土的起始凍脹含水量并存在負溫時才會出現凍脹。從3種試驗方案的監測數據分析來看，Q2方案和Q3方案在保溫性和減少基土含水量方面都有很好的效果，不僅可以減小凍脹量還可以縮短凍脹發生的時間。另外，保溫板和碎石層對于減小基土凍脹對混凝土襯砌的破壞都可以起到一定的緩沖作用。