河套灌區模袋砼襯砌凍脹規律及保溫機理研究

郭彥芬 霍軼珍 王文達 程滿金

摘要：該文通過監測到的數據來對各處理渠道的凍脹機理進行分析研究，選出適合河套灌區渠道的模袋砼與保溫材料理想厚度分配與組合方案，力求尋找出能使渠道受凍脹量減少，基土地溫提高，凍土深度變小的厚度組合，為河套灌區骨干渠道將來在使用模袋混凝土與其他襯砌材料選擇方面提供科學依據。[請修改至與英文摘要一致的中文摘要。]

關鍵詞：楊家河干渠;模袋混凝土;凍脹規律;渠道襯砌

1 研究目的與意義

河套灌區屬于溫帶大陸性干旱、半干旱氣候帶，冬季時間持續較長且氣候寒冷，形成了季節凍土區。使得河套灌區基土凍融需要經歷一個特別漫長的階段，形成一個歷時較長的凍融期，凍融期往往長達3～6個月左右，它的起始時間為10月中旬，翌年5月下旬融通，個別年份可至6月上旬融通，形成一個凍融周期。近年來，在河套灌區的骨干渠的節水改造工程中大量的應用模袋混凝土，其已經是工程中應用的主要材料，在河套灌區一些工程中已經投入使用，如在楊家河干渠等多條骨干渠道中和河套灌區南邊分干渠運用，從實際的運行情況發現，模袋混凝土襯砌渠道仍存在凍脹破壞、模袋磨損風化和混凝土表面剝蝕等問題，渠道凍脹變型量仍然較大，所以在模袋混凝土襯砌渠道中鋪設保溫板成為提高模袋混凝土抗凍脹能力和工程壽命的一項新的突破和研究方向[1-3]。

為了探明河套灌區渠道的凍脹規律，在內蒙古河套灌區設立了兩個渠道試驗段和一個試驗場，分別設在了河套灌區南邊分干渠和楊家河干渠兩地，不同的模袋砼凍脹試驗段分布在渠道的不同走向上，并且為了對模袋砼鋪設厚度、在一定的模袋砼鋪設厚度下與厚度不同的保溫材料進行組合試驗，同時及時對試驗結果進行檢測分析如對不同處理下渠道凍脹量、凍深、地溫、地下水位等進行分析，在南邊分干渠附近建立了一處試驗場。通過監測到的數據來對各處理渠道的凍脹機理進行分析研究，選出適合河套灌區渠道的模袋砼與保溫材料理想厚度分配與組合方案，力求尋找出能使渠道受凍脹量減少，基土地溫提高，凍土深度變小的厚度組合。為河套灌區骨干渠道將來在使用模袋混凝土與其他襯砌材料選擇方面提供科學依據[4]。

2 材料與方法

2.1 試驗區概況

楊家河灌域位于內蒙古河套灌區西部、杭錦后旗境內，隸屬解放閘灌域管轄;總控制面積6.742萬hm2，現灌面積4.525萬hm2。該灌域以沖湖相為主，南高北低，地面坡降1/2 000～1/10 000之間，所引水源為黃河水，水量豐沛，多年平均引水量為4.24億m3，多年平均含沙量3.1 kg/m3，水質含鹽量0.4～0.63 g/L。渠道底寬16m，口寬24m，渠底2.6m，平均水深2.1 m，渠道邊坡系數為1：1.5，楊家河干渠屬于挖方渠道。封凍前地下水位埋深為0.83 m，地下水埋深隨季節有較大變幅，秋澆后水位急劇上升，一般埋深在0.2 m～1.0 m，低水位期（2～4月份）埋深在1.0 m～3.0 m[4]。

2.2試驗設計

試驗段選定在河套灌區楊家河干渠，渠道走向為南北走向，為挖方渠道，保溫材料采用25 kg/m3聚苯乙烯模塑板。所有處理試驗方案在渠道陰陽坡對稱布置。在每個試驗處理段的陰、陽坡按上、下部分別布設了含水量觀測點、邊坡凍脹變形觀測裝置兩組，在每個試驗段的陰陽坡上下部位布置了不同深度的地溫傳感器，通過對不同處理試驗方案的觀測分析，評價各試驗段防凍脹效果。各處理具體試驗處理如表1所示，渠道試驗段斷部分面布置如圖1所示。

通過對不同模袋混凝土厚度條件下鋪設不同厚度聚苯板保溫試驗研究，分析不同保溫板與模袋混凝土厚度與凍脹量的變化規律、尋找最佳的厚度組合，提出適合河套灌區骨干渠道模袋混凝土襯砌保溫防凍脹優化方案，達到提高地溫、削減與消除渠道基土凍深和凍脹量、提高模袋混凝土防凍脹效果與工程使用壽命的目的[5]。

3 試驗結果與分析

3.1 不同模袋處理最大凍脹量和削減凍脹量

表2為2016-2017年楊家河干渠東坡和西坡下坡1/3處不同模袋砼處理凍脹量特征值、削減量值和削減率表。繪制出不同模袋砼+保溫板處理下最大凍脹量分布如圖2所示。

從表2與圖2所顯示出的數據可以得出，模袋混凝土鋪設的厚度與最大凍脹量呈現負相關關系，8 cm厚度的模袋混凝土最大凍脹量在東西坡的兩側分布分別為97.5 mm和112 mm，12 cm厚度的模袋混凝土最大凍脹量在東西坡的兩側分布分別為80.7 mm和92.6 mm，凍脹率在東西坡的兩側削減量分別為17.23 %和17.32 %，15 cm厚度的模袋混凝土最大凍脹量在東西坡的兩側分布分別為57.3 mm和67.7 mm，凍脹率在東西坡的兩側削減量分別為41.23 %和39.55 %[6-7]。

3.2 不同厚度模袋條件下不同厚度保溫板凍脹量分布特征

由圖3可以看出，8cm模袋砼條件下，鋪設4cm保溫板最大凍脹量為50mm（東坡）和54.1mm（西坡;鋪設6cm保溫板最大凍脹量為32mm（東坡）和42.2mm（西坡）;鋪設12cm保溫板最大凍脹量為9.3mm（東坡）和11.8mm（西坡）。12cm模袋砼條件下，鋪設4cm保溫板最大凍脹量為34.5mm（東坡）和38mm（西坡）;鋪設6cm保溫板最大凍脹量為21mm（東坡）和24mm（西坡）;鋪設8cm保溫板最大凍脹量為12mm（東坡）和16mm（西坡）。同樣說明聚苯板的保溫效果較好。15cm模袋砼條件下，鋪設4cm保溫板最大凍脹量為10.7mm（東坡）和13.1mm（西坡）;鋪設6cm保溫板最大凍脹量為4.9mm（東坡）和6.6mm（西坡）。說明聚苯板的保溫效果較好[8-10]。

3.3 模袋砼厚度與最大凍脹量的關系

統計出一個完整凍融期內8cm、12cm和15cm模袋砼3種無保溫處理的下坡1/3處最大凍脹量如表3所示。

3.4 單位厚度聚苯板的增溫效果

將2015年11月-2016年4月和2016年11月-2017年4月兩個凍融期內8cm模袋砼條件下、12cm模袋砼條件下和15cm模袋砼條件下鋪設不同厚度聚苯板的日平均溫度進行平均，計算出鋪設保溫板處理兩個凍融期的平均溫度，從而計算出楊家河干渠單位厚度聚苯板的增溫效果如表4所示。

由表4可以看出，對于楊家河干渠埋深40cm處的基土觀測期平均地溫，每厘米聚苯板可提高地溫0.52℃。可見鋪設聚苯板的增溫效果較為顯著，綜合考慮經濟性和保溫效果，建議采用模袋砼下鋪設保溫板的結構型式。

4 主要結論

4.1 不同模袋砼處理凍脹量變化規律

（1）從8cm模袋砼+無保溫、12cm模袋砼+無保溫和15cm模袋砼+無保溫3個處理凍脹量變化來看，隨著模袋砼厚度的增加，凍脹量變化幅度逐漸減小，并且西坡的凍脹量大于東坡的凍脹量。

（2）不同厚度的模袋混凝土最大凍脹量在東西坡的兩側分布差異明顯，8cm厚模袋混凝土最大凍脹量在東西坡的兩側分別為97.5mm和112mm，12cm厚度的模袋混凝土分別為80.7mm和92.6mm，凍脹率在東西坡的兩側削減量分別為17.23%和17.32%，15cm分別為57.3mm和67.7mm，凍脹率在東西坡的兩側削減量分別為41.23%和39.55%，且西坡的凍脹量大于東坡的凍脹量。

（3）通過對楊家河干渠模袋砼厚度與監測到的最大凍脹量關系的數據進行擬合，得出楊家河干渠模袋砼厚度與最大凍脹量關系，模袋砼厚度與最大凍脹量成線性關系，最大凍脹量隨模袋砼厚度的增加而減小。

4.2 不同模袋砼處理保溫效果

（1）模袋砼下鋪設聚苯板可以有效提高地溫，起到很好的保溫效果。隨著模袋砼厚度的增加，出現負溫的時長逐漸減小，說明增加模袋砼厚度在一定程度上可以減小負溫的天數，但仍然有一段時間處于負溫區域，并沒有起到很好的保溫效果。

（2）隨著模袋砼鋪設厚度增加，每厘米的聚苯板的增溫幅度是減小的，故在工程布置時應該綜合考慮模袋砼與保溫板的厚度組合。

（3）對于楊家河干渠埋深40cm處的基土觀測期平均地溫，每厘米聚苯板可提高地溫0.52℃。可見鋪設聚苯板的增溫效果較為顯著，綜合考慮經濟性和保溫效果，建議采用模袋砼下鋪設保溫板的結構型式。

參考文獻：

[1]劉宏云.楊家河干渠渠道襯砌防凍試驗方案階段總結與探討[J].內蒙古水利，2004（03）：18-19.

[2]宋迪.冬灌條件下土壤凍融過程的試驗研究[D].沈陽：沈陽農業大學，2009.

[3]王丹.輸水渠道襯砌結構凍害防治及優化設計研究[D].大連：大連理工大學，2013.

[4]郭富強.北方季節性凍土區渠道保溫防凍脹機理與應用研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2019.

[5]高亞磊.模袋混凝土襯砌凍脹適應性研究[D].咸陽：西北農林科技大學，2019.

[6]郭富強，史海濱，程滿金，等.不同地下水位下渠基凍脹規律與保溫板適宜厚度確定[J].農業工程學報，2018（19）：95-103.

[7]赫珊珊.遼寧沿海灌區襯砌渠道防凍脹設計研究[D].沈陽：沈陽農業大學，2017.

[8]潘鑫.板縫對U形砼襯砌渠道凍脹響應與襯砌板結構優化[D].銀川：寧夏大學，2018.

[9]王小東.土工袋砌護農田排水溝邊坡的固坡模式及應用研究[D].銀川：寧夏大學，2017.

[10]張希黔.創新技術在建筑施工中的應用（3）[J].施工技術，2008（12）：107-112.