新疆布爾津河灌區(qū)渠道襯砌防凍脹試驗(yàn)研究

沈瑩瑩，楊宏志，楊發(fā)業(yè)，張紹強(qiáng)，吉 曄

(1.中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心，北京 100054；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3.新疆維吾爾自治區(qū)布爾津縣水利局，新疆 阿勒泰 836600)

0 引 言

北方大型灌區(qū)多位于寒冷地區(qū)，由于受氣溫、土質(zhì)、地下水位等方面原因的影響，灌區(qū)成為凍脹強(qiáng)烈的區(qū)域，混凝土板襯砌渠道在未采取任何防凍脹措施保護(hù)的情況下，經(jīng)過(guò)幾個(gè)凍融周期的反復(fù)交替，渠道凍脹破壞嚴(yán)重，襯砌渠道混凝土面板大量出現(xiàn)架空、隆起局部坍塌等破壞現(xiàn)象[1]，每年經(jīng)過(guò)凍融周期后需要投入大量的人力與經(jīng)費(fèi)來(lái)進(jìn)行維修重建，不僅影響工程的正常運(yùn)行，增加了工程管理維修的難度和費(fèi)用，也降低了渠道防滲效果和使用壽命[2]。

新疆維吾爾自治區(qū)及生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)現(xiàn)有47處大型灌區(qū)，規(guī)劃灌溉面積302.2 萬(wàn)hm2，是西北地區(qū)自然條件最差、凍脹最為嚴(yán)重的省份，開(kāi)展渠道襯砌防凍脹試驗(yàn)研究是十分必要的。

1 灌區(qū)基本情況

布爾津河灌區(qū)是新疆地區(qū)最北部的大型灌區(qū)，屬于大陸性北溫帶寒冷氣候，由于受蒙古冷高壓和大陸熱低壓的控制和影響，形成冬季寒冷漫長(zhǎng)，晝夜溫差懸殊的典型大陸性氣候。本次試驗(yàn)選取布爾津河灌區(qū)內(nèi)部的沖乎爾灌區(qū)，地處布爾津河中游中低山區(qū)的沖乎爾盆地內(nèi)，灌溉面積0.391 萬(wàn)hm2(5.87萬(wàn)畝)，灌區(qū)內(nèi)骨干水利工程建于1966年，現(xiàn)狀有干渠2條，總長(zhǎng)15 km，支渠6條，總長(zhǎng)33.35 km，支排3條，總長(zhǎng)14.4 km，灌區(qū)內(nèi)渠道多采用片石襯砌防滲混凝土勾縫或采用3～5 cm厚的混凝土板襯砌，由于渠道建設(shè)時(shí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，凍脹問(wèn)題嚴(yán)重[3]。

項(xiàng)目區(qū)多年平均氣溫5.4 ℃，極端最低氣溫-41.2 ℃，年最低氣溫出現(xiàn)在1月，最大凍土深156 cm。現(xiàn)狀該片區(qū)冬季地下水埋深1.3～1.5 m，渠道地基土層0～2 m為低液限黏土和細(xì)粒土質(zhì)砂層，毛細(xì)水有效上升高度可達(dá)約2.0 m。冬季細(xì)粒土中含水量判定在20%～25%，可能的凍脹等級(jí)為III級(jí)，類(lèi)別為凍脹。

布爾津縣沖乎爾灌區(qū)運(yùn)行40多年以來(lái)，渠道凍脹破壞主要表現(xiàn)為混凝土板斷裂、坍塌等，主要原因是灌溉水和渠道水入滲造成渠基土含水量過(guò)高。渠基土含水量過(guò)高，當(dāng)土溫下降到0 ℃以下后，土體孔隙中所含水分凝結(jié)成冰，由于水變成冰體積增大，所以土在凍結(jié)時(shí)，土體比未凍結(jié)時(shí)體積膨脹，因此產(chǎn)生凍脹，造成混凝土板產(chǎn)生斷裂、坍塌等[4]。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

該試驗(yàn)段位于布爾津縣沖乎爾灌區(qū)東岸二支渠樁號(hào)5+000-5+056段，總長(zhǎng)56 m。渠道縱坡1∶1 000，設(shè)計(jì)流量2 m3/s，渠底寬1.2 m，設(shè)計(jì)水深為1.30 m，內(nèi)邊坡為1∶1.5，堤頂寬為1.0 m。

2.1 襯砌結(jié)構(gòu)形式

試驗(yàn)段渠道走向?yàn)镹-S(南北)走向，為半挖半填方渠道，共設(shè)置了7種不同襯砌結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)段長(zhǎng)度為8 m。其中鋪設(shè)保溫板的有3個(gè)試驗(yàn)段，采取換填方式的有3個(gè)試驗(yàn)段。

2.2 保溫材料性能

本次試驗(yàn)采用的聚苯乙烯硬質(zhì)泡沫板(簡(jiǎn)稱(chēng)聚苯板)是一種優(yōu)質(zhì)的隔熱保溫材料，具有自重輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水性小、耐老化、運(yùn)輸施工方便等特點(diǎn)。根據(jù)《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50600-2010)中對(duì)襯砌渠道使用保溫板的規(guī)定，硬質(zhì)聚苯乙烯泡沫板其力學(xué)性能應(yīng)滿足表2的要求。試驗(yàn)采用硬質(zhì)聚苯乙烯泡沫板的密度為20 kg/m3。

2.3 觀測(cè)內(nèi)容

渠道土壤地溫(凍結(jié)深度)監(jiān)測(cè)；渠道土壤凍融變形量(襯砌變化觀測(cè))監(jiān)測(cè)；凍結(jié)期地下水位變化監(jiān)測(cè)。

2.4 觀測(cè)方法及頻次

(1)土壤地溫(凍結(jié)深度)監(jiān)測(cè)。土壤低溫監(jiān)測(cè)采用溫度傳感器，在對(duì)比段和3個(gè)保溫試驗(yàn)段觀測(cè)，約13 min觀測(cè)一次，利用GPS系統(tǒng)采集并傳送信息數(shù)據(jù)。地溫觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)深度：對(duì)比段為混凝土預(yù)制板下8、23、35、50、80、110、150、180 cm處，保溫段為混凝土預(yù)制板下8、23、35、50、80 cm處。渠坡、渠底埋設(shè)溫度傳感器(每個(gè)試驗(yàn)段分別在渠坡的1/3、2/3處和渠底的中間部位鉆孔埋設(shè)溫度傳感器)。

(2)土壤凍融變形量監(jiān)測(cè)。凍脹量采用人工觀測(cè)，7個(gè)試驗(yàn)段均設(shè)置凍脹量觀測(cè)，在渠道頂部設(shè)凍脹基準(zhǔn)樁，基準(zhǔn)樁上架設(shè)鋁合金方管配合水平尺量測(cè)土壤凍融變形量，渠底及封頂板采用水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)。

(3)地下水位變化監(jiān)測(cè)。采用在渠道試驗(yàn)段附近設(shè)置觀測(cè)井，井管底部密封，井深6 m，通過(guò)測(cè)量觀測(cè)井中的地下水自由水面的深度來(lái)表征地下水埋深。地下水位入凍后每5天觀測(cè)1次，直到第2年消融。

表1 7種渠道襯砌結(jié)構(gòu)形式

表2 聚苯乙烯泡沫塑料板物理力學(xué)性能

2.5 觀測(cè)時(shí)間

3個(gè)凍融周期觀測(cè)時(shí)間見(jiàn)表3。

表3 3個(gè)凍融周期觀測(cè)時(shí)間

3 試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果

3.1 土壤地溫變化規(guī)律

試驗(yàn)觀測(cè)了2013-2014、2014-2015和2015-2016年3個(gè)凍融期的地溫?cái)?shù)據(jù)，以2013-2014年度的觀測(cè)資料分析，圖1為對(duì)比段陰坡下部各測(cè)點(diǎn)日極值地溫過(guò)程線，圖2為陰坡上部6 cm厚聚苯板保溫板日極值地溫過(guò)程線，圖中顯示了各層基土溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程，同時(shí)反應(yīng)出了基土的凍結(jié)時(shí)間和凍結(jié)歷時(shí)。

圖1 對(duì)比段陰坡邊坡下日極值地溫過(guò)程線

圖2 保溫段2陰坡邊坡上(6 cm厚聚苯板)日極值地溫過(guò)程線

由圖1可知，對(duì)比段土層溫度35cm范圍內(nèi)受氣溫波動(dòng)的影響較大，日變幅劇烈，50 cm以下各層基土的溫度變化不大，地溫曲線趨于平緩。由圖2可以看出，鋪設(shè)了保溫板的3個(gè)試驗(yàn)段的地溫明顯高于沒(méi)有鋪設(shè)保溫板的對(duì)比段。保溫板以上(深度23cm)基土受大氣溫度的影響較大，變幅明顯，保溫板以下(深度23 cm以下)各層基土受大氣溫度的影響較小，變幅較小，變化較平緩。

據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，陰坡邊坡上部8cm厚的聚苯板試驗(yàn)段提高地溫效果明顯，日平均地溫在23和35 cm處的地溫要比相應(yīng)的6、4 cm厚的聚苯板段地溫平均高1.0、2.0和0.5、2.0 ℃；陰坡下部10和12 cm厚的聚苯板試驗(yàn)段保溫板下各層基土的地溫均沒(méi)有出現(xiàn)負(fù)溫，保溫效果明顯。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，保溫板能夠有效阻隔大氣與渠基土的熱量交換，提高襯砌體下基土溫度，并且隨著保溫板厚度的增加，保溫板以下(深度23cm以下)各層基土溫度變幅變小，各層間日極值溫度變化過(guò)程線的間距變小，變化更趨于平緩，說(shuō)明保溫板厚度越大受大氣溫度的影響越小，保溫效果越好。

3.2 土壤凍融變形量變化規(guī)律

試驗(yàn)觀測(cè)了2013-2014、2014-2015和2015-2016年3個(gè)凍融期間7個(gè)試驗(yàn)方案的凍脹變化過(guò)程，對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，凍脹發(fā)生于土體所形成的緩慢凍結(jié)層，發(fā)展于迅速凍結(jié)期，伴隨凍結(jié)進(jìn)程的推進(jìn)，而呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，在迅速凍結(jié)階段凍脹量可達(dá)總量的95%左右，最大凍脹量出現(xiàn)在凍結(jié)穩(wěn)定階段后期，并保持穩(wěn)定狀態(tài)，以后隨氣溫回升凍土層回融，凍脹呈線性削減直到回位[5]。

各試驗(yàn)方案變化情況包括陰坡凍脹量、陽(yáng)坡凍脹量及渠底凍脹量。對(duì)變化過(guò)程線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，邊坡凍脹量由邊坡上部到下部逐漸減小，并且陰坡凍脹量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于陽(yáng)坡和渠底凍脹量[6]。

由圖3對(duì)比段與保溫段陰坡上部?jī)雒浟孔兓^(guò)程線可以看出，有保溫措施的試驗(yàn)段凍脹量明顯小于對(duì)比段的凍脹量，并且凍脹開(kāi)始的時(shí)間明顯比對(duì)比段晚，凍脹基本推后一個(gè)月。從3個(gè)凍融周期觀測(cè)成果分析比段與保溫3相比較，每個(gè)凍融期保溫3可削減凍脹量均達(dá)到90%以上，防凍脹效果較為理想。

圖3 對(duì)比段與保溫段陰坡上部?jī)雒浟孔兓^(guò)程線

圖4 對(duì)比段與換填段陰坡上部?jī)雒浟孔兓^(guò)程線

由圖4對(duì)比段與換填段陰坡下部?jī)雒浟孔兓^(guò)程線可以看出，當(dāng)換填達(dá)到一定厚度時(shí)，也可有效地減少凍脹產(chǎn)生。從3個(gè)凍融周期觀測(cè)成果分析，對(duì)比段與換填3相比較，每個(gè)凍融期換填3可削減凍脹量均達(dá)到50%以上，防凍脹效果較為理想。

從凍脹量觀測(cè)方面看，試驗(yàn)方案5和方案7，在抗凍脹性能上明顯優(yōu)于其他處理試驗(yàn)方案，項(xiàng)目組推薦在新疆地區(qū)以后的大型灌區(qū)節(jié)水改造中優(yōu)先選擇保溫3(方案4)和換填3(方案7)。

3.3 渠道基土凍結(jié)深度變化規(guī)律

經(jīng)過(guò)3個(gè)凍融周期的試驗(yàn)觀測(cè)，試驗(yàn)區(qū)每年12月初地表開(kāi)始封凍，到次年3月上旬達(dá)到最大凍深，3月下旬開(kāi)始消融，至3月底融通。

圖5為2013-2014年度對(duì)比段與保溫段試驗(yàn)單元土層的凍融過(guò)程線。由圖可知：保溫1、保溫2、保溫3的最大凍結(jié)深度分別為77.5、80、73 cm，各保溫段的土壤從3月下旬開(kāi)始消融，至4月初融通。由4條凍結(jié)線分析可知，保溫板明顯抑制了凍結(jié)鋒面的推進(jìn)，且其凍結(jié)速率較小，但土壤消融速度也較對(duì)比段稍小。

圖5 對(duì)比段與各保溫段陰坡上部?jī)鼋Y(jié)深度過(guò)程線

3.4 凍結(jié)期地下水位變化

根據(jù)2013-2014、2014-2015和2015-2016年3個(gè)凍結(jié)期間地下水位觀測(cè)數(shù)據(jù)和地下水位變化過(guò)程線，每個(gè)凍融期的地下水位均在渠底以下，凍融期開(kāi)始時(shí)地下水埋深約2 m，凍融期地下水位呈下降趨勢(shì)，至4月中旬達(dá)到最大埋深3 m左右，降幅約1 m。試驗(yàn)段在3個(gè)凍結(jié)期間地下水位最小埋深1.10 m，最大埋深3.19 m。由于地下水對(duì)凍脹的臨界影響深度為2 m，因此該試驗(yàn)段渠道基土的凍脹性主要受灌溉期渠基土的含水量影響，也就是與土壤起始凍脹含水量有關(guān)，與地下水的水分遷移補(bǔ)給關(guān)系較小。

3.5 投資分析

對(duì)不同技術(shù)處理的試驗(yàn)段經(jīng)濟(jì)投資進(jìn)行分析，包括土方開(kāi)挖、土方回填、混凝土預(yù)制板鋪設(shè)、保溫板材料等全部投資，可以得到以下結(jié)果(以每平方米投資進(jìn)行分析)。

方案2(保溫1)比對(duì)比段增加投資34.67%，方案3(保溫2)比對(duì)比段增加投資45.89%，方案4(保溫3)比對(duì)比段增加投資61.67%。方案4(保溫3)雖然投資較多，但從地溫觀測(cè)和凍脹量分析來(lái)看，其保溫及防凍脹效果最好，在布爾津縣大型灌區(qū)節(jié)水改造建設(shè)中襯砌渠道如采用保溫措施防凍脹處理，建議推廣應(yīng)用保溫3的方案。

方案5(換填1)比對(duì)比段增加投資21.31%，方案6(換填2)比對(duì)比段增加投資20.77%，方案7(換填3)比對(duì)比段增加投資28.39%。方案7(換填3)雖然投資較多，但從凍脹量分析來(lái)看，其防凍脹效果最好，在布爾津縣大型灌區(qū)節(jié)水改造建設(shè)中襯砌渠道如采用換填砂礫石戈壁料措施防凍脹處理，建議推廣應(yīng)用設(shè)計(jì)處理(換填3)的方案。

通過(guò)試驗(yàn)分析可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)方案5(保溫3)和試驗(yàn)方案7 (換填3)在抗凍脹性能上均明顯優(yōu)于其他處理試驗(yàn)方案。但由于布爾津地區(qū)戈壁砂礫石豐富，通過(guò)上述投資分析可以得出：在布爾津等砂礫石材料豐富且施工方便的地區(qū)，采用換填方案更能節(jié)省渠道襯砌的投資；對(duì)于缺少砂礫石戈壁料、施工條件較差的凍脹地區(qū)，優(yōu)先推薦鋪設(shè)保溫板方案。

表4 不同試驗(yàn)方案投資分析一覽表

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)對(duì)鋪設(shè)保溫板的3個(gè)試驗(yàn)段，試驗(yàn)結(jié)果表明保溫3(方案4)的保溫防凍脹效果較為理想；對(duì)換填的3個(gè)試驗(yàn)段，試驗(yàn)結(jié)果表明換填3(方案7)的保溫防凍脹效果較為理想。

(2)根據(jù)試驗(yàn)分析，試驗(yàn)方案5與試驗(yàn)方案7在保溫性能和抗凍脹性能上都優(yōu)于其他處理試驗(yàn)方案，項(xiàng)目組推薦在新疆地區(qū)大型灌區(qū)節(jié)水改造中優(yōu)先選擇保溫3(方案4)和換填3(方案7)。

(3)在研究聚苯乙烯保溫板試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合新疆特殊的地理特征，加入了砂礫石換填方案的試驗(yàn)研究。經(jīng)試驗(yàn)分析，砂礫石換填也可以有效改善渠道凍脹破壞情況。在實(shí)際應(yīng)用中，可以結(jié)合兩種方案的投資、施工的難易程度、施工用材料等方面綜合考慮后確定選取保溫或換填方案。

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[3] 張紹強(qiáng),吉 曄.我國(guó)北方大型灌區(qū)渠道襯砌保溫防凍脹技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)研報(bào)告[R]. 中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心,2013.

[4] 何武全，劉群昌. 我國(guó)渠道襯砌與防滲技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2009,(6)：3-6.

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