聚苯板和聚氨酯板渠道保溫防凍脹效果及經濟性分析

趙彥琳， 吉 曄， 張 宏 ， 張宇峰 ， 沈瑩瑩

(1.楊凌職業技術學院， 陜西 楊凌 712100； 2.中國灌溉排水發展中心， 北京 100054)

1 研究背景

節水工程技術中，渠道的襯砌防滲對減少渠道的滲漏損失有顯著效果[1]。渠道剛性襯砌在季節性凍土地區發生凍脹破壞的現象十分普遍，同時灌區效益低下、水資源浪費嚴重、運營管理困難等一系列渠道工程運行中的問題亟待解決[2-4]。在渠道剛性襯砌下鋪設隔熱材料層，可以對渠基土起到較好的保溫效果，以防止渠道凍脹破壞[5]。在對渠道防凍脹材料研究中，曹永智等[6]結合怡鐵干渠的防凍脹應用，總結了聚苯板的性能指標和選取方法；邢義川[7]研發了用于渠道保溫防滲的新型卷材(SDM)，比傳統保溫材料施工方便且效果更好；宋玲等[8]對渠道保溫材料的防凍脹功能、防滲性和耐久性等性能提出了針對性的要求；程滿金等[9]結合工程試驗，總結分析了渠道不同試驗部位、不同試驗條件下凍脹參數的變化規律和聚苯板的合理厚度；何武全等[10]提出了一種能滿足渠道防凍脹要求的復合型聚氨脂保溫板材，試驗驗證效果良好；郭靖等[11]采用ANSYS計算軟件，模擬分析了不同厚度的聚乙烯苯板對渠系建筑物的溫度場、位移場的影響。聚苯乙烯泡沫保溫板(簡稱聚苯板)和硬質聚氨酯保溫板(簡稱聚氨酯板)是目前工程中兩種主要的保溫板材，具有易于施工、輕質高強、絕熱性能優越等特點[12]。

當前針對聚苯板和聚氨脂板在渠道保溫防凍脹效果比較和經濟性分析方面的研究較少。本文結合

黑龍江蛤蟆通灌區試驗資料，對聚苯板和聚氨酯板的保溫性能和經濟性能進行了比較分析，可為兩種材料在防凍脹應用中的推廣起到指導作用。

2 材料與方法

2.1 試驗渠道基本情況

在位于黑龍江省寶清縣的蛤蟆通灌區總干渠(2+498～2+598 m)，進行了聚苯板和聚氨脂板保溫防凍脹效果對比試驗。當地屬于中溫季風氣候，主要氣象參數見表1。

表1 蛤蟆通灌區主要氣象參數

2.2 試驗方案

根據灌區的特點，試驗渠道采用保溫防凍脹結構型式，如圖1所示[13]。設計了4種方案來比較兩種材料的隔熱保溫效果，各試驗方案渠道保溫板鋪設方式見表2。兩種渠道保溫材料的物理力學性能參數見表3。

圖1 渠道防滲保溫防凍脹結構型式

試驗方案預制混凝土板/cm砂漿過渡層/cm聚乙烯塑料膜/mm試驗段長度/cm保溫材料及厚度方案1(對比段)1030.320無方案21030.315聚氨酯板4cm方案31030.315聚苯板8cm方案41030.315聚苯板10cm

表3 兩種渠道保溫材料的物理力學性能參數

2.3 觀測內容及方法

地溫試驗觀測點分別布設于每個試驗段的陰坡(西坡)、陽坡(東坡)的1/3、2/3處，觀測埋深分別為10 cm(保溫板上表面)、30 cm(保溫板下表面)及50 cm地層深度，使用鉑電陰傳感器采集不同保溫板鋪設方案下的基土地溫數據(13 min/次)；凍脹量觀測采用水準儀測量，每10 d測量一次觀測點與基準點的高差。

3 結果與分析

3.1 不同方案地溫變化特征分析

渠基土的凍脹過程與外界負氣溫的極值和持續時間直接相關。將渠坡1/3和2/3位置和相應位置處30及50 cm地下深度的地溫，結合各試驗方案編組描繪地溫變化過程線，可直觀地對比出在相同條件下不同方案渠基土的凍結時間、凍結歷時和保溫效果(圖2)。

圖2 2015-10-01-2016-05-01各試驗方案地溫極值過程線

方案1(對比段)未布設保溫板，地溫變化受外界氣溫的直接影響，溫度波動劇烈，與氣溫值相近且渠基土發生了嚴重的凍脹破壞；采用了保溫措施的2～4方案，其地溫過程線與外溫變化過程顯著分離，在漫長的凍結期內，地溫變化平緩，且基本處于0度線附近及以上，相較對比段，防凍脹效果十分明顯；在保溫板厚度相同的情況下，受日照遮陰和地下水位埋深影響，西坡(陰坡)比東坡(陽坡)溫度偏低，渠坡2/3處比1/3處溫度相對較低。

對于各保溫方案，50 cm埋深處均未出現負溫；30 cm埋深處，方案2和方案3東坡(陽坡)未出現負溫，保溫效果良好，西坡(陰坡)相對東坡平均溫度較低，出現了輕微的短期凍結，但尚在允許的凍脹位移范圍內，不至于發生破壞；方案2(4 cm聚氨酯板)和方案3(8 cm聚苯板)地溫過程線基本重合，說明這兩種方案雖選用了不同的保溫材料，卻獲得了相近的保溫效果，且從數值上可初步得出，同樣的防凍脹要求下，聚氨脂板的選用厚度約為聚苯板厚度的1/2；方案4選用了較厚的10 cm聚苯板，在整個觀測周期內并未出現負溫，保溫效果良好，也可和方案3的布設厚度形成規律性對比和相互驗證。

由以上分析可以得到，允許一定范圍的凍脹前提下，在蛤蟆通灌區及其相近地區，結合陰、陽坡和渠底的不同防凍脹要求，選用8～10 cm厚的聚苯板或不小于4 cm厚的聚氨脂板，可以滿足渠道保防凍脹工程中經濟和安全和需要。

3.2 不同方案凍脹量變化特征分析

對比段西坡的最大凍脹位移和融通后的殘余凍脹位移量分別為14.3和10.1 cm，東坡凍脹量分別為9.9和3.7 cm，發生了嚴重的凍脹破壞；東坡的含水量低于西坡也是造成東坡凍脹量小于西坡的重要影響因素之一。采用了保溫措施的渠段(方案2～4)渠坡凍脹量明顯小于對比段，且方案2～4的最大凍脹量隨保溫效果的增強呈遞減趨勢，其中方案2(4 cm聚氨酯板)凍脹量略大于方案3(8 cm聚苯板)，方案4(10 cm聚苯板)融通后最大凍脹量只有0.6 cm，保溫效果良好(表4)。

對不同方案凍脹量變化的特征分析可以得到，8 cm聚苯板的保溫防凍脹效果基本與4cm聚氨酯板的的保溫防凍脹效果相當；渠道凍脹量的主要影響因素為渠基土凍前含水量和凍結過程中的水分遷移；若能采取有效措施降低渠基土含水量，減弱或阻止水分在凍結期發生遷移，即可有效提高渠道保溫防凍脹效果[14-15]。

表4 最大凍脹量統計表 cm

3.3 不同保溫方案的經濟性分析

為了便于進行相同條件下的投資分析比較，試驗工程渠道，渠底采用與渠坡相同的防滲襯砌結構型式(圖1)，以此分別計算各方案的投資進行比較(表5)。

表5 防凍脹襯砌渠道投資分析表

根據試驗工程的經濟分析可知，方案1(無保溫) 單位面積投資為144.30元/m2，方案2、方案3、方案4的單位面積投資分別為189.11、184.92、202.06元/m2，與方案1相比，每平方米投資分別增加了31.06%、28.15%、40.02%。通過對地溫和凍脹量的特征分析，4 cm厚的聚氨脂保溫板和8 cm厚的聚苯板保溫效果接近，但單位面積的投資分別為189.11和184.92元/m2，聚氨脂板略高。因此，聚氨脂保溫板和聚苯板雖在材料的適用范圍和應用技術條件上要求相同，但價格較高，經濟性較差。

4 結 論

(1)無保溫措施的防滲襯砌渠道，凍結期渠基土溫度隨外溫的變化波動劇烈，負溫極值與氣溫接近且發生了嚴重的凍脹破壞。將保溫層與渠道剛性襯砌結構結合起來是削減渠基凍脹的有效措施。

(2)試驗結果表明，4 cm厚的聚氨脂板在保溫效果上與8 cm厚的聚苯板相當，且在蛤蟆通灌區及其相似地區，結合陰、陽坡和渠底的不同防凍脹要求，選用厚度8～10 cm的聚苯板或不小于4 cm的聚氨脂板，可以滿足渠道保防凍脹工程中經濟和安全的需要。

(3)進行相同防滲襯砌結構型式條件下的投資分析比較，方案2、方案3、方案4與方案1(對比段)相比，單位面積投資分別增加了31.06%、28.15%、40.02%。在實際應用中，聚氨脂板和聚苯板的技術要求相近，但聚氨脂板造價相對較高，可根據工程實際情況調查選用。