基于氣候學分析的寒區混凝土襯砌渠道凍害機理研究

李志剛 楊保存 楊曉松

(塔里木大學水利與建筑工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)

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基于氣候學分析的寒區混凝土襯砌渠道凍害機理研究

李志剛 楊保存 楊曉松*

(塔里木大學水利與建筑工程學院， 新疆 阿拉爾 843300)

為了進一步分析寒區渠道襯砌凍害機理，從氣候學角度，基于能量平衡原理，采用原型觀測試驗，研究了渠坡日平均日照時長和太陽輻射量的分布規律及其與渠基凍結特征的關系。結果表明，試驗條件下，渠坡橫斷面各部位凍結期日平均日照時長、總輻射和凈輻射呈不對稱不均勻分布；渠道從渠底靠近陰坡坡腳3/4處至整個陰坡，日平均太陽凈輻射為負值，渠基能量處于虧損狀態；陰坡平均凍深為陽坡的1. 5倍，陰坡平均凍脹量為陽坡的1. 7倍。渠基能量收支的橫向差異產生的橫向不對稱不均勻分布的溫度場是渠道凍害的主要原因。

能量平衡； 原型觀測； 日照時長； 凍害機理； 橫向不對稱不均勻

襯砌渠道凍害問題一直是農田水利界關注的焦點[1]。已有的工程措施和理論研究主要集中于改變渠基土質、水分條件，減小襯砌板受力，改善基土溫度場分布[2-8]等方面。這些研究在一定程度上能夠很好的指導和解決寒區渠道襯砌凍害問題，但是，由于對渠基溫度場形成和分布的變化規律研究不足，凍害問題依然存在。太陽輻射能量虧損是地表土體產生凍結的根本原因。Michel Dysli等[9]、Jones, C W[10]認為在地表平均風速不大的情況下，太陽輻射將是影響淺層土體溫度最為重要的因素，工程建設中必須注意太陽輻射對土體凍結作用以及由此進一步引發的對其上部建筑的影響。顯然，對于襯砌結構與外部環境(太陽輻射、氣溫、風速)，尤其是太陽輻射耦合作用下的凍害機理方面的研究尚屬空白，而太陽輻射的作用是客觀存在且復雜的。王正中等[11]初步考慮了太陽輻射的作用，僅僅是將其轉化為等效溫度，將襯砌板表面本應為第二、三類溫度邊界條件簡化為第一類邊界條件。基土溫度場是多種氣象因素作用的綜合效應。由于自然環境變量很復雜，只用第一類熱邊界條件來確定和分析土體熱狀況是遠遠不夠的。

針對溫度這一土體凍結誘因，還原真實自然環境作用，采用原型觀測試驗，研究坡板太陽輻射分布規律及其影響下的渠基凍結特征，進一步討論寒區渠道混凝土襯砌的凍害成因，對太陽輻射作用下的渠道凍害機理進行探討，為廣大寒區渠道以及其他水工建筑系統的防凍害新技術、新工藝的研究與開發提供新的思路。

1 原型觀測試驗

地表太陽輻射能量的收支決定著我國大片凍土區的形成與分布。寒區渠道襯砌的凍害，外部環境是先決條件。這些環境因素包括太陽輻射、氣溫、風速、地形遮蔽等。不考慮特殊情況，在渠道小空間范圍內，氣溫和風速的影響可視為各向同性。進而，影響渠基凍結狀態的主要因素為坡面吸收的太陽輻射量。為準確分析太陽輻射作用對渠基凍結的影響，于2014年11月～2015年1月在新疆南疆恰格拉克東干渠灌區混凝土襯砌渠道某典型東西走向梯形渠段進行針對性的原型觀測試驗。

1.1 研究區概況

恰格拉克東干渠灌區地處天上南麓，塔里木盆地西北緣，深居歐亞大陸腹地，遠離海洋，氣候干燥，降水稀少，光照充足，晝夜溫差大，屬典型的大陸型暖溫帶干旱氣候。歷年平均氣溫10. 3 ℃，歷年極端最高氣溫38. 4 ℃，歷年極端最低氣溫-27. 4 ℃，最冷一月平均氣溫-8. 7 ℃。多年平均蒸發量853. 9 mm，多年平均降水量70. 1 mm。土壤凍結時間一般從11月中旬開始，次年2月下旬開始解凍。歷年最大凍土深度93 cm。

試驗渠段為挖方渠道，設計渠深2. 5 m，底寬2 m，邊坡系數1. 5。

1.2 試驗設計

觀測目標為陰陽坡頂、坡中、坡底和渠底中部的日照時長、太陽總輻射、太陽凈輻射、凍深及凍脹量。

1.2.1 太陽輻射：太陽總輻射的測量使用總輻射表TBQ-2型，太陽凈輻射的測量使用凈輻射表TBB-1型。兩者分辨率均為1 w/m2，準確度≤5%。在坡頂、坡中、坡底和渠底中部安置，通過GPRS網絡將數據傳送到指定的微機中，全天監測，數據采集時間間隔30分鐘。

1.2.2 凍深：凍土器LQX-DT，在土體凍結之前開始埋設。

1.2.3 凍脹量：使用水準儀、位移傳感器。水準儀用于校核各種固定裝置，位移傳感器安裝于固定支架。每5天監測一次。

2 結果與分析

2.1 渠坡日照分布

為了直觀形象描述渠坡日照分布特征，可繪制試驗渠段坡面日平均日照時長見圖1，坡面太陽總輻射與凈輻射分布見圖2-圖3。橫坐標1-7為渠道斷面測點，1-3為陽坡坡頂、坡中和坡底；4為渠底中部；5-7為陰坡渠底、渠中和渠頂。

圖1 渠坡日平均日照時長

圖2 渠坡日平均太陽總輻射量

圖3 渠坡日平均太陽凈輻射量

在渠道“凹”形斷面形式、寬深比及陰坡遮蔽等因素的共同作用下，凍結期渠坡表面日平均日照時長由陽坡坡頂至陰坡坡底逐漸減小，整個陰坡各部位日照時長相同。陽坡坡頂日平均日照時長最大，為10 h。陰坡最小，為1 h。圖9中，陽坡段，由坡頂至坡腳，各部位日平均日照時長減小幅度較緩，平均為19. 8%。渠底段，由陽坡坡腳至陰坡坡腳，各部位日平均日照時長減小幅度較大，平均為59. 9%。

渠道橫斷面不同部位日照時長差異最直接的結果就是日平均太陽總輻射和凈輻射差異。由圖10、圖11可以看出，日平均太陽總輻射和凈輻射沿橫斷面的變化規律類似于日平均日照時長。由陽坡坡頂至陰坡坡腳，數值都逐漸減小。整個陰坡段，日平均太陽總輻射和凈輻射都相同。陽坡段減小幅度較小，日平均太陽總輻射的減小幅度平均為11. 3%，日平均太陽凈輻射的減小幅度平均為5. 5%。渠底段減小幅度較大，日平均太陽總輻射的減小幅度平均為36. 5%，日平均太陽凈輻射的減小幅度平均為228. 8%。渠底段，日平均太陽凈輻射大幅度降低，以至于從渠底靠近陰坡坡腳3/4處至整個陰坡坡，日平均太陽凈輻射為負值。凈輻射為負值，渠基能量處于虧損狀態，絕對值越大，能量虧損越嚴重。

2.2 渠坡凍結特征

根據圖1～圖3，由于渠坡橫斷面上各部位接收太陽照射的時長不同，導致各部位接收的太陽總輻射和凈輻射存在差異。進一步導致寒季渠基不同部位能量收支差異。渠基能量收支的橫向不對稱產生橫向不對稱的溫度場。溫度場橫向不對稱的宏觀表現為凍脹量和凍深的橫向不對稱。很據原型實測資料，渠基凍深分布見圖4，渠基凍脹量分布見圖5。

凍深沿渠基斷面呈規律分布，由陽坡坡頂-陽坡坡腳-陰坡坡頂，凍深先增加，后減小。陽坡坡腳凍深最小。陽坡坡頂雖然接收太陽照射的時間最長，基土吸收的能量最多，但是由于雙向凍結作用，坡頂凍深依然較大，達到56. 5 cm。陰坡由于能量虧損最大，且坡頂處雙向凍結，陰坡坡頂凍深達到整個渠基凍深的最大值，達到69. 3 cm。陰坡平均凍深67. 9 cm，陽坡平均凍深45. 6 cm，陰坡凍深為陽坡的1. 5倍。根據《渠系工程抗凍脹設計規范》(SL23-2006)，當凍深≥10 cm時，渠道必須采取抗凍脹措施，防止凍害發生。

陰坡中部凍脹量達到整個斷面的最大值，為6. 6 cm。陽坡坡腳由于坡板和底板的約束，凍脹量為整個斷面最小，為2. 8 cm。陰坡平均凍脹量5. 9 cm，陽坡平均凍脹量3. 4 cm，陰坡凍脹量為陽坡的1. 7倍。根據《渠系工程抗凍脹設計規范》(SL23-2006)，混凝土板襯砌渠道最大允許凍脹變形量為3 cm。可見，該觀測渠段的凍深和凍脹量都已經超過了現行規范中所要求必須進行防凍害處理的界限值。實際渠道運行中，由夫于沒有進行防凍脹處理，凍害嚴重，見圖6。

圖4 渠坡凍深分布圖

圖5 渠坡凍脹量分布圖

圖6

寒區渠道襯砌凍害嚴重，一直未能得到很好解決。應該回歸凍害最基本誘因，從能量收支角度對凍害機理進行深入研究。通過分析，渠道由于坡向、寬深比和坡度等原因，橫斷面不同部位接收太陽照射的時長不同，進而導致不同部位渠基能量收支差異。渠基能量收支的橫向差異產生橫向不對稱不均勻分布的溫度場，宏觀表現為不對稱不均勻分布的凍深與凍脹量，最終襯砌發生凍害。溫度場的橫向不對稱不均勻分布是寒區渠道襯砌凍害的主要原因。

3 結論與討論

結合渠道太陽輻射原型觀測試驗，在試驗條件下，進一步分析認為：

3.1 渠坡橫斷面各部位凍結期日平均日照時長、總輻射和凈輻射呈不對稱不均勻分布。陽坡最大，渠底次之，陰坡最小，且陰坡各部位數值相同。

3.2 在試驗條件下，渠道從渠底靠近陰坡坡腳3/4處至整個陰坡，日平均太陽凈輻射為負值，渠基能量處于虧損狀態，陰坡能量虧損最為嚴重。

3.3 由于渠坡能量收支的橫向差異，渠基凍深、凍脹量沿橫斷面呈不對稱不均勻分布。凍深、凍脹量都以陽坡最大，渠底次之，陰坡最小。陰坡平均凍深為陽坡的1. 5倍，陰坡平均凍脹量為陽坡的1. 7倍。

3.4 根據《渠系工程抗凍脹設計規范》(SL23-2006)，該灌區混凝土襯砌渠道應該進行防凍害措施處理。

3.5 渠基能量收支的橫向差異產生橫向不對稱不均勻分布的溫度場，最終導致橫向不對稱不均勻分布的應力場和位移場，這是渠道產生凍害的主要原因。

以太陽輻射差異顯著的東西走向渠道為研究對象，從氣候學角度分析渠道襯砌凍害機理，為寒區渠道凍害防治理論提供了新的研究思路。實際灌區工程中的渠道走向是任意的，與赤道存在夾角。相同地理條件下，渠道的幾何特征(寬深比、坡度)不同，陽坡、陰坡吸收太陽輻射的差異也是不同的。在具體的工程中需要結合工程實際進行凍害分析與防凍害處理。

進一步的工作應該圍繞太陽輻射作用對土體凍結的影響、太陽輻射作用下渠道襯砌凍害機理及凍脹預報模型開展，進而充分利用這一自然資源，開發新斷面，發明新工藝，解決寒區渠道襯砌乃至其他工程建筑物的凍害問題。

[1] 彭世彰,高曉麗.提高灌溉水利用系數的探討[J].中國水利,2012(1):33-35.

[2] 余書超,歐陽輝,孫詠梅.渠道剛性襯砌受凍脹時的內力計算[J].中國農村水利水電,1999(10):21-23.

[3] 王正中.梯形渠道混凝土襯砌凍脹破壞的力學模型研究[J].農業工程學報,2004,20(3):24-29.

[4] 王正中,李甲林,陳濤，等.弧底梯形渠道混凝土襯砌凍脹破壞的力學模型研究[J].農業工程學報,2008,24(1):18-23.

[5] 申向東,張玉佩,王麗萍.混凝土預制板襯砌梯形斷面渠道的凍脹破壞受力分析[J].農業工程學報,2012,28(16):80-85.

[6] 劉旭東,王正中,閆長城，等.基于數值模擬的雙層薄膜防滲襯砌渠道抗凍脹機理探討[J].農業工程學報,2011, 27(1):29-35.

[7] 王正中,劉旭東,陳立杰，等.剛性襯砌渠道不同縱縫消減凍脹效果的數值模擬[J].農業工程學報,2009,25(11):1-7.

[8] 李學軍,費良軍,任之忠.大型U型渠道渠基季節性凍融水分運移特性研究[J].水利學報,2007,38(11):1383-1387.

[9] Michel Dysli,Virgil Lunardini,Lars Stenberg.Related effects on frost action:Freezing and solar radiation indices[J].Grounding freezing97,1997:3-23.

[10] Jones,C W.Solar Radiation effects on Frost Action in Soils[J].Frost Action on Transportation Facilities, 1983:49-56.

[11] 王正中,蘆琴,郭利霞,等.基于晝夜溫度變化的混凝土襯砌渠道凍脹有限元分析[J].農業工程學報,2009,25(7):1-7.

Research on Frozen Damage Mechanism of Concrete Lining Canal Based on Climatology Analysis in Cold Regions

Li Zhigang Yang Baocun Yang Xiaosong*

(College of Water Conservancy and Construction Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

In order to further analyze frozen damage mechanism of lining Canal, daily average sunshine duration and solar radiation distribution laws of canal slopes and their relationships with canal foundation freeze characteristic were studied combined with prototype measurement from the perspective of climatology and the goal of energy budget. The results indicate that: solar radiation energy loss was the root cause of ground soil's freeze; the daily average sunshine duration, global and net solar radiation was lateral asymmetry and inhomogeneous in different parts of canal slope cross section; from three quarters of the canal bottom to the northern slope toe, the daily average net radiation was negative and canal foundation energy was under deficit; average frozen depth of northern slope was 1. 5 times deeper than that of southern slope, and average frost heave of northern slope was 1. 7 times greater than that of southern slope. The lateral asymmetry and inhomogeneous thermal field caused by lateral energy balance differences of canal foundation was the main reason of canal's frozen damage.

energy balance; prototype measurement; sunshine duration; frozen damage mechanism; lateral asymmetry and inhomogeneous

1009-0568(2016)04-0083-05

2015-10-28

國家自然科學基金地區項目(51168042)；塔里木大學校長基金項目(TDZKQNZD201505，TDZKQN201610)；塔里木大學大學生創新項目(2015028，2015029)。

李志剛(1982-)， 男，講師，碩士研究生，主要從事節水灌溉理論與技術研究。 E-mail：nwsuaf_yang@163.com

*為通訊作者 E-mail：taru_yang@163.com

S277；TV315

A

10.3969/j.issn.1009-0568.2016.04.013