渠道襯砌結構保溫板施工缺陷對抗凍脹性能影響的試驗研究

孫黎強

(山東省濱州市引黃灌溉服務中心,山東 濱州 256600)

在北方季凍區，由于冬季凍結期的持續時間較長，氣溫較低，輸水渠道的渠基土在長期低溫作用下極容易產生凍脹。我國季節性凍土分布范圍約占全國國土面積的54%，而東北和西北地區每年有將近1/4的時間存在季節性凍融現象，輸水渠道和襯砌結構也會因此產生不同程度的凍脹破壞，這不僅會在渠道輸水過程中浪費大量寶貴的水資源，同時也會造成渠道的滲漏破壞[1]。為了解決這一問題，國內外學者和工程界提出諸多輸水渠道防凍脹思路和工程技術措施[2]。目前，采用最多也最為有效的措施是在渠道襯砌板下方鋪設保溫板抗凍脹。保溫板一般具有質量輕、耐壓和保溫等諸多優良性能[3]。保溫板的類型比較多，其中造價較低、使用最廣泛的是聚苯乙烯泡沫板。目前，針對聚苯乙烯保溫板的抗凍脹性能研究一般均針對完整的保溫板展開，但是在具體的工程實踐中，由于安裝、運行中的諸多因素的影響，特別是施工過程中的固定和踩踏，往往會出現以減薄為主要表現形式的缺陷[4]。造成保溫效果顯著下降，并影響到局部防凍脹效果。基于此，此次研究通過室內物理模型試驗的方式，探討保溫板缺陷對襯砌結構抗凍脹性能的影響，以便為工程施工和維護提供有益的支持和借鑒。

1 室內模型試驗設計

1.1 試驗裝置和相關設備

此次試驗通過室內模擬試驗的方式進行，結合室內場地和試驗要求，采用長4.5m、寬3.0m、高1.5m的模型試驗箱。模型試驗箱的底層主要由三層構成，第一層為加熱板層，主要由直徑2cm的銅管彎曲鋪成；第二層下部為5cm厚的砂墊層，上部為無紡布；第三層為補水層。先將彎曲的塑料管均勻鋪設，并在其周圍鋪上粒徑5cm左右的卵石，最后利用無紡布將塑料管覆蓋。上述箱底結構的主要作用是模擬輸水渠道在自然工況下的單向凍結和融化環境條件[5]。試驗的數據采集系統主要包括DT615型數據采集儀，PT100溫度傳感器、WDL位移傳感器等，主要用于試驗過程中渠基土的凍脹量和溫度測量。

進行物理模型試驗，首先需要確定相關的模型比尺。綜合考慮試驗箱的尺寸和實際模型尺寸，模型的幾何比尺確定為1∶4；根據實際工程的凍結條件以及實驗室內能夠提供的溫度范圍，將模型的溫度比尺確定為1∶1，時間比尺確定為1∶16[6]。試驗所用的土體來自于工程現場，并按照水利部的相關要求對其主要力學指標進行檢驗，其土壤類型為含沙低液限粉土，土粒比重為2.65g/cm3，填土控制干密度為1.54g/cm3，最大干密度為1.67g/cm3，最優含水率為13.2%。試驗用保溫材料為聚苯乙烯泡沫板，按照幾何比尺換算，其厚度為2cm。

1.2 模型制作

結合北方寒區的氣候特征，試驗中將地表溫度控制在-15～2℃，試驗的環境溫度控制在-20～5℃，該溫度控制方案可以保證試驗中的土體溫度和工程現場的實際情況基本一致[7]。

在試驗模型制作過程中，首先在試驗箱內填筑和夯實試驗現場取得的土樣，并將位移和溫度傳感器按照預設位置埋設到相應的部位。然后，按照背景工程渠道的幾何尺寸和模型比尺，在土體上開挖出梯形渠道，在渠坡部位鋪設聚苯乙烯保溫板，并在其上部鋪設混凝土襯砌板。在鋪設完工后靜置48h，然后對試驗箱進行飽水處理，以達到和野外環境相似的效果；保持實驗室內的溫度恒定，在土體內部溫度達到8℃左右時，準備開始降溫處理。

1.3 試驗方法

為了模擬冬季輸水渠道基土凍脹情況，試驗設計降溫和恒低溫兩個試驗階段[8]。其中，降溫階段歷時68h，環境溫度由8℃，逐步降低至-20℃；恒低溫階段持續142h，環境溫度維持-20℃不變，試驗總歷時為210h。在試驗開始降溫之前，需要對各種試驗儀器進行仔細檢查，保證試驗能夠持續不間斷進行。在試驗中要做好溫度監控工作和試驗數據的記錄工作。

1.4 試驗方案

結合相關研究成果，研究中選擇三個影響凍脹量的保溫板缺陷因素，分別為保溫板缺陷位置，保溫板減薄深度以及保溫板減薄面積。其中，缺陷位置設置靠近渠坡頂部1/3部位(位置1)、渠坡中部(位置2)以及靠近渠坡底部1/3部位(位置3)；保溫板減薄深度設置0.5、1.0、1.5、2.0cm(貫穿)4種不同水平；減薄面積以減薄范圍的最大直徑衡量，設置2、4、6、8、10cm五種同水平。考慮到試驗場地和時間的因素，試驗中采用固定兩個因素，探討第三個因素影響的方式進行。為了對比分析缺陷因素的實際情況，試驗中以無缺陷方案作為對比工況。

2 試驗結果與分析

2.1 缺陷部位

試驗中保持缺陷深度1.5cm、缺陷大小6cm不變，對不同缺陷部位設計方案進行低溫凍脹試驗，根據試驗中的數據，整理獲得缺陷中心部位溫度和凍脹量的分布柱狀圖，結果分別如圖1—2所示。從圖1—2可以看出，保溫板存在缺陷會增加渠基土和環境之間的熱交換，從而降低缺陷部位的渠基土溫度，增加該部位的凍脹量。在渠坡不同位置的保溫板缺陷對缺陷中心部位的溫度和凍脹量的影響程度存在一定的差別。總體來看，缺陷的部位越靠近渠坡頂部，保溫板缺陷的影響就相對較小，越靠近渠坡的底部，保溫板缺陷的影響就越大。以凍脹量為例，當缺陷分別位于渠坡上部、中部和下部時，無缺陷凍脹量分別為4.8、5、5.2mm，有缺陷方案凍脹量分別為5.2、5.6、6.5mm，分別增加了約8.33%、12.00%和25.00%。由此可見，靠近渠底1/3部位的保溫板缺陷，會顯著增加缺陷部位的凍脹量，在工程施工和維護中要予以更多的關注。

圖1 不同減薄位置溫度柱狀圖

圖2 不同減薄位置凍脹量柱狀圖

2.2 缺陷深度

試驗中保持缺陷位于位置3(靠近渠底1/3部位)，缺陷大小6cm不變，對不同缺陷深度方案進行試驗，根據試驗中獲取的數據，繪制出缺陷中心部位溫度和凍脹量隨缺陷深度的變化曲線，結果如圖3—4所示。由圖3—4可以看出，保溫板缺陷的減薄厚度也是影響缺陷部位溫度和凍脹量的重要因素，與對比方案相比，保溫板減薄會顯著降低減薄部位的溫度，同時增加減薄部位的凍脹量。從具體的變化趨勢來看，隨著減薄后的增加，缺陷中心部位的溫度會呈現出緩慢下降后迅速下降的變化特點，而凍脹量則呈現出先緩慢上升后迅速上升的變化特點。當減薄厚度小于1cm，也就是減薄厚度不超過保溫板厚度一半時，減薄缺陷對減薄部位溫度和凍脹量的影響不大，當減薄厚度超過保溫板厚度一半時影響較大，特別是缺陷屬于穿孔時，缺陷部位的溫度會急劇降低，而凍脹量會急劇增加。

圖3 溫度隨減薄厚度變化曲線

圖4 凍脹量隨減薄厚度變化曲線

2.3 缺陷大小

試驗中保持缺陷位于位置3(靠近渠底1/3部位)，缺陷深度為1.5cm不變，對不同缺陷大小方案進行試驗，根據試驗結果，繪制出缺陷中心部位溫度和凍脹量隨缺陷大小的變化曲線，結果如圖5—6所示。由圖5—6可以看出，缺陷大小也是影響凍脹量的重要因素。從具體的變化趨勢來看，隨著減薄缺陷的變大，缺陷中心部位的溫度呈現出先小幅下降后迅速下降的變化特點，特別是缺陷最大直徑大于6cm時，溫度下降極為迅速；凍脹量的變化也呈現出類似的規律，當缺陷直徑小于6cm時，凍脹量的增大相對比較緩慢，當缺陷直徑大于6cm時，凍脹量會急速增大。

圖5 溫度隨缺陷大小變化曲線

圖6 凍脹量隨缺陷大小變化曲線

3 結語

鋪設聚苯乙烯保溫板可對有效預防和緩解寒區輸水渠道凍脹破壞，保證渠道的耐久性和功能發揮具有重要意義。但是，保溫板在施工過程中往往會存在不同程度的缺陷。基于此，此次研究通過室內模擬試驗的方式，探討了保溫板缺陷對襯砌結構凍脹的影響。結果顯示，不同的缺陷部位、深度和大小均會對渠道襯砌結構的凍脹變形產生顯著影響，并根據試驗結果提出了工程建設和維護方面的具體意見和建議。當然，此次研究通過室內試驗的方式獲取，在今后還應該依托具體工程展開室外現場試驗，以驗證結論的科學性，為工程設計建設和運行維護提供有力的支持。