高寒地區(qū)大型渠道抗凍脹護(hù)坡保溫板阻凍特性研究

馬棟和 李艷萍 張洪龍

(1. 中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 吉林 長(zhǎng)春 130061；2. 水利部-寒區(qū)工程技術(shù)研究中心， 吉林 長(zhǎng)春 130061；3. 松原市哈達(dá)山水利樞紐工程管理局， 吉林 松原 138000)

高寒地區(qū)大型渠道抗凍脹護(hù)坡保溫板阻凍特性研究

馬棟和1,2李艷萍1,2張洪龍3

(1. 中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 吉林 長(zhǎng)春 130061；2. 水利部-寒區(qū)工程技術(shù)研究中心， 吉林 長(zhǎng)春 130061；3. 松原市哈達(dá)山水利樞紐工程管理局， 吉林 松原 138000)

針對(duì)寒冷地區(qū)大型渠道凍害防治問題，在哈達(dá)山水利樞紐工程輸水干渠段開展保溫防凍護(hù)坡原型試驗(yàn)，對(duì)不同保溫板厚度下基土凍脹特征與保溫防凍機(jī)理及保溫零熱阻進(jìn)行研究。研究表明，保溫護(hù)坡可以有效消減基土凍脹量； 零熱阻計(jì)算公式中保溫板零熱阻可取0.0016。成果對(duì)于大型渠道設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理，以及對(duì)冰凍學(xué)科技術(shù)的發(fā)展均具有重要意義。

大型渠道； 高寒地區(qū)； 凍脹； 研究

中國(guó)東北、西北等寒冷地區(qū)，冬季氣候寒冷，造成了地殼表層土不同深度的凍結(jié)。土層在凍結(jié)和融化過程中，將發(fā)生一系列物理力學(xué)性質(zhì)的變化，諸如地表凍脹隆起、融化沉陷等現(xiàn)象，使許多坐落在土基上和以水為環(huán)境的各類工程和建筑物，受到冰推、凍脹和凍融作用而產(chǎn)生不同部位、不同形式、不同程度的破壞。

輸水渠道具有沿線長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜、填筑土性多樣和渠道襯砌體積輕以及冬季過水條件和冰凍作用不同等特點(diǎn)，其凍害破壞比其他水工建筑物更易發(fā)生[1]。對(duì)于渠道特別是寒冷地區(qū)的大型渠道凍害仍然是嚴(yán)重影響并制約嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)發(fā)展的重要因素。

1 工程概況

哈達(dá)山水利樞紐工程，位于第二松花江干流下游河段，距松原市東南約20km，其地處中緯度歐亞大陸東緣，屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季氣候變化明顯，冬季嚴(yán)寒而漫長(zhǎng)。根據(jù)松原市1970—2012年(42年)氣象資料統(tǒng)計(jì)，歷年凍結(jié)歷時(shí)平均123天，凍結(jié)歷時(shí)最長(zhǎng)146天，最短102天，歷年極端最低氣溫-38℃。

哈達(dá)山水利樞紐工程，為吉林省最大水利工程，渠道全長(zhǎng)96.80km，渠底寬度較大可達(dá)數(shù)十米，渠高4m以上。第四紀(jì)沉積地層廣布全區(qū)，類型繁雜，主要巖性結(jié)構(gòu)由壤土、泥炭土、淤泥質(zhì)壤土等強(qiáng)凍脹土組成。沿線有填方渠道，半挖半填和深挖方渠道，挖方段渠道沿線地下水位高，近63km渠段地下水位在設(shè)計(jì)渠底以上，最高達(dá)到設(shè)計(jì)渠底以上近6.80m 。

2 方案設(shè)計(jì)

為確保輸水干渠保溫襯砌設(shè)計(jì)的科學(xué)、可行，及輸水干渠在寒冷條件下的長(zhǎng)期安全運(yùn)行，開展渠道保溫防凍護(hù)坡原型試驗(yàn)(渠道襯砌橫斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示)。在輸水干渠樁號(hào)48km北側(cè)建立1處凍脹規(guī)律試驗(yàn)場(chǎng)(試驗(yàn)場(chǎng)襯砌結(jié)構(gòu)形式與渠道襯砌一致)，采用聚氨酯硬泡板(保溫板技術(shù)指標(biāo)見表1)設(shè)置了9個(gè)不同保溫處理的試驗(yàn)方案，保溫板厚度分別為0cm、1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、8cm和10cm，保溫板上均鋪設(shè)13cm厚的預(yù)制混凝土板。每個(gè)試驗(yàn)方案的平面尺寸均為6×6m，如圖1所示。為防止周圍土層降溫凍結(jié)的影響，每種試驗(yàn)方案周圍均用6cm厚的保溫板做成帷幕式封閉，封閉深度為自地表以下2m，試驗(yàn)單元立面示意圖如圖2所示。

表1 聚氨酯泡沫塑料板的技術(shù)指標(biāo)

圖1 渠道襯砌橫斷面結(jié)構(gòu)

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)多種保溫方案

3 凍脹規(guī)律研究

根據(jù)多年觀測(cè)成果，不同厚度保溫板下土的凍深和各年度不同保溫板厚度與凍脹量關(guān)系如圖3、圖4所示。

圖3 不同厚度保溫板下土的凍深

圖4 各年度不同保溫板厚度與凍脹量關(guān)系

由圖3、圖4可見，保溫襯砌方案可有效削減渠道基土凍脹量[2-4]。2008—2009年，保溫板厚度5.50cm時(shí)板下無凍深； 2009—2010年，保溫板厚度8.cm時(shí)仍有1.20cm的凍脹量，板厚10cm時(shí)無凍脹。由于無板厚9.0cm的試驗(yàn)方案，只能從保溫板厚度8cm時(shí)僅有1.20cm判斷，無凍深和凍脹的板厚應(yīng)在9.0cm左右；2011—2012年，保溫板厚度6cm時(shí)仍有8cm的凍深，3.40cm的凍脹量。未設(shè)置板厚7cm方案。板厚8cm時(shí)，凍脹量出現(xiàn)-1.10cm的負(fù)值，即地面收縮下沉。由此判斷，無凍深和凍脹的板厚為7.50cm左右。

4 保溫防凍機(jī)理與保溫?zé)嶙柩芯?/h2>

保溫防凍是利用保溫材料的熱導(dǎo)率小，在一定厚度的保溫層與基土界面上實(shí)現(xiàn)吸熱與放熱之間的熱量平衡，以達(dá)到基土不受凍結(jié)的目的[5-7]。在這種情況下，Δτ時(shí)段內(nèi)界面上的放熱量是通過保溫層進(jìn)入大氣的熱量ΔQ(式1)，吸熱量主要是地?zé)崃鳓(式2)和基土一定深度內(nèi)內(nèi)能(熱容量)的改變[8-9]。保溫層的厚度可用熱量平衡方法計(jì)算[10]：

(1)

Δq=q0Δτ

(2)

Ra=δ0/λ0+δC/λC+1/α

(3)

式中Q——Δτ時(shí)段內(nèi)的放熱量，J；

s——計(jì)算面積，m2；

t——?dú)鉁兀妫?/p>

t0——保溫層與基土界面處的溫度，t0=0℃；

Ra——熱阻，m2·℃/W；

δ0——保溫板厚度，m；

λ0——保溫板的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；

δc——覆蓋層(板)厚度，m；

λc——覆蓋層(板)的熱導(dǎo)率，W/(m·℃)；

α——表面放熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

Δq——Δτ時(shí)段內(nèi)的吸熱量，J/m2；

q0——熱流強(qiáng)度，W/m2；

Δτ——計(jì)算時(shí)間，d。

保溫層與基土界面處的溫度t0=0℃；氣溫t為凍結(jié)期的平均氣溫；時(shí)間為凍結(jié)期天數(shù)。由式(1)、式(2)可得：

(4)

(5)

τ——凍結(jié)期時(shí)長(zhǎng)(∑Δτ)，d。

式(5)可寫為

R=βI

(6)

式中β——零熱阻系數(shù)，m2/(W·d)。

式(5)和式(6)中的熱阻R即為滿足基土不受凍結(jié)所需的總熱阻值，并稱之為總零熱阻。保溫襯砌的總零熱阻以R0表示，由式(3)可得

(7)

式(7)中，混凝土熱導(dǎo)率由試驗(yàn)確定，初步計(jì)算時(shí)，普通混凝土可取2.5W/(m·℃)。放熱系數(shù)與風(fēng)速有關(guān)，一般風(fēng)速3m～4m/s時(shí)可取16～20 W/(m2·℃)。這兩項(xiàng)占總熱阻的比例很小，約為5%左右。因此，從偏于安全和簡(jiǎn)化計(jì)算考慮，設(shè)計(jì)中可不計(jì)這兩項(xiàng)，即認(rèn)為保溫板的零熱阻近似等于總零熱阻，即

R0=R=βI

(8)

式(8)中的零熱阻系數(shù)β值與土質(zhì)、密度、含水率、地溫等因素有關(guān)，難以確定，因此采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法求得。

根據(jù)上述，取各年度基土無凍脹時(shí)保溫板厚度分別為5.50cm(2008—2009年度)、9cm(2009—2010年度)和7.50cm(2011—2012年度)，算得相應(yīng)的β值見表2。

表2 各年度熱阻系數(shù)β值

從表2可見，幾個(gè)觀測(cè)年度計(jì)算所得β值基本一致。據(jù)此，建議在保溫設(shè)計(jì)中可取β=0.0016。

5 結(jié) 論

a.保溫護(hù)坡可以有效消減基土凍脹量。在2008—2009、2009—2010及2011—2012三個(gè)凍融觀測(cè)周期內(nèi)，當(dāng)保溫板厚度分別為5.50cm、9cm和7.50cm 時(shí)保溫板下均未產(chǎn)生凍深，保溫板厚度的差異主要與凍融周期內(nèi)凍結(jié)指數(shù)大小有關(guān)。

b.保溫防凍護(hù)坡的基本目的是在坡面上鋪設(shè)一定厚度和熱導(dǎo)率小的保溫材料，以達(dá)到基土與保溫材料界面上熱量平衡。根據(jù)熱量平衡原理提出了按凍結(jié)指數(shù)確定保持基土不凍的保溫板熱阻(零熱阻)計(jì)算公式。根據(jù)幾個(gè)年度的試驗(yàn)結(jié)果得出零熱阻系數(shù)可取0.0016。試驗(yàn)成果可為保溫防凍設(shè)計(jì)充實(shí)有關(guān)抗凍技術(shù)規(guī)范提供依據(jù)。

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Research on anti-freezing features of large channel anti-freeze slope protection insulation board in alpine region

MA Donghe1,2, LI Yanping1,2, ZHANG Honglong3

(1. Zhongshui Northeast Survey Design Research Co., Ltd., Changchun 130061, China;2. MWR- Research Center for Engineering and Technology in Cold Region, Changchun 130061, China;3. Songyuan Hadashan Water Conservancy Project Administration, Songyuan 138000, China)

Heat preservation anti-freezing slope protection prototype experiment is carried out in water conveyance trunk section of Hadashan Water Conservancy Project aiming at large channel anti-freezing problem in cold regions. The foundation soil frost heave characteristics, heat insulation anti-freezing mechanism and heat insulation zero thermal resistance under different heat insulation board thicknesses are studied. The research shows that the heat insulation slope protection can effectively eliminate the foundation soil frost heave. The heat insulation board zero thermal resistance can be 0.0016. The results are of great significance for large-scale channel design, operation management, and development of cryoscience technology.

large channels; alpine region; frost heave; research

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.08.010

TV214

A

1005-4774(2017)08- 0034- 04