渠道抗凍脹墊層設計方法研究與數值模擬

孫 杰

(河套學院，內蒙古 巴彥淖爾 015000)

0 前 言

基土的凍脹破壞是渠道受損的一個主要的原因。實際上，渠道凍脹破壞是由于基土中存在自由水和毛細水，里面的水含量在長時間寒冷低溫的作用下，非常容易凍成冰體，促使基土的體積受凍膨脹，從而導致了渠道受損。基于凍脹的發生需要具備三個條件：持續的低溫狀態、自由水和毛細水、土質為非抗凍脹性土，而渠道凍脹發生的地方主要集中在灌區內部和河流下游地帶，比如，灌區中下游的地下水位深度較淺，所以其基土的含水量較高，其含水量超過凍脹含水量標準的可能性較大，一旦受長時間零度以下的溫度影響，土中的自由水和毛細水就會發生凍脹現象。為了保護渠道不受凍土的凍脹傷害，一般都采用基土換填的抗凍脹措施。而采用基土換填的抗凍脹措施前，必須引入抗凍脹設計，才能確保基土換填的抗凍脹能發揮實際效果。而渠道的凍脹破壞一般都發生在北方冬季寒冷的地區，而北方地區也普遍分布河砂、砂卵石、風積砂等粗粒土材料，所以經常使用基土換填的抗凍方法。

渠道在工程建設時，需要以“適應、回避、削減凍脹”的設計原則[1]，針對基土的凍脹破壞，對渠道進行相關的抗凍脹設計，基本采用的換土墊層法，其原理是將渠道基土中的凍脹性土換成非凍脹性土，從而從地質上根本避免凍脹現象的發生。然而，非凍脹性土在科學理論方面還未能發展成熟，缺乏全面的認識和了解。在理論中，一般都認為粗粒土中0.075 mm的重量不超過20%就是非凍脹土；而在防滲工程中，將粗粒土中0.05 mm的重量不超過6%規范非凍脹性土[2]；而凍土地基基礎設計將碎卵石、粗砂和中砂中0.075 mm重量不超過15%為非凍脹土，同時又將細砂中0.075 mm不超過重量10%規范為抗凍脹土[3]；另外朱強[4]將砂粒在0.05 mm，當地下水水位超過0.5 m時，重量小于8%為非凍脹性土，而當與水位距離大于0.5 m時，含量超過了4%就是可凍脹性土；甘肅省在非抗凍性[5]土方面也有不同的見解，將地下水位距離作為判斷的基準之一，如果基土與水位的距離大于0.5 m，則非凍脹性土的砂粒含量就要小于10%，而基土與水位距離小于0.5 m時，砂礫含量不能超過5%；除此之外，日本、加拿大、俄羅斯對非凍脹性土的標準也會有出入。

我國在不同領域和不同地域對非凍脹性土的標準不盡相同，主要是根據其工程地域位置和建筑性能來，再結合砂礫含水量和地下水位來判斷非凍脹性土的標準，從不同地域、不同建筑和不同國家的標準也可以證實：在抗凍墊層設計時，并沒有標準且統一的非凍脹性土數據以供參考和設計。因此，在渠道抗凍脹墊層設計時，必須采用一定原則和方法對其進行研究，才能保證抗凍墊層設計的有效性。下文將結合墊層抗凍機制以及毛管水土水勢理論和熱阻等效等原理，以數值模擬為基礎，對渠道抗凍脹墊層設計展開研究。

1 抗凍脹墊層設計的要點

基土發生凍脹的三個因素：持續的低溫狀態、水含量、土有凍脹性，而抗凍脹墊層的主要工作原理就是改變墊層中凍脹發生的三個要素，從“適應、回避、效率”三個原則出發，從而達到基土抗凍脹的目的。以下為抗凍脹墊層設計。

1)墊層材料的選擇必須是非凍脹性土，因此，一般的換填土都是粗粒土。粗粒土表現出吸水性弱、排水性強的特點，有利于墊層的含水量的排放，可以將墊層的含水量控制在凍脹發生水含量標準之下。

2)渠道墊層厚度和粗粒土的熱物理量直接掛鉤，而粗粒土的熱物理由于會受到其含水量和土壤密度的影響，所以在設計抗凍脹墊層時，一定要科學計算好墊層的厚度。

3)當水分環境不變的情況下，如果粗粒土的含水量低于置換土之前，抗凍脹能力就會增強，襯砌板的物力受力會發生改變。

4)粗粒土在置換之后，與細粒土填充分層是會產生阻水效果，水的滲透率會降低。

2 抗凍脹墊層設計的要素

渠道受凍脹的破壞主要是發生在冬季，所以其發生是具有季節性的。而因為凍土地區在冬季時有些渠道會有水運行，而有些渠道則不會有水運行，實則是休工狀態。因此，冬季運行的渠道因為渠道之中水力的比熱容會帶來保溫作用，所以凍脹問題發生的相對較少一些；而休工狀態的渠道缺少了保溫作用，如果地下水位高或者水含量環境惡劣，如果墊層設計不當，就非常容易發生凍脹問題。所以，在冬季凍土區不通水的渠道需要進行嚴格且科學的抗凍脹墊層設計。

冬季凍土地區的水分環境都來自于大氣降、滲透水和地下水，由上文可知，因為現在并沒有統一的科學標準，而水分環境也處于一個動態的變化，所以很難進行定量研究。因此，本文在研究抗凍墊層設計的方法時，會將外界水分環境設計為一個模擬的狀況，將水含量設定為飽和的狀態，將最大含水量看作是最大水持量、墊層含水量也等于最大水持量，這種能夠有效規避動態水環境對研究的困難。而抗凍墊層設計主要涉及：材料的選擇和墊層的厚度，兩者相互影響，材料的性能和重量、大小會影響墊層厚度的計算。

2.1 墊層材料的選擇

墊層為介于基層與土基之間的結構層，在土基水穩狀況不良時，用以改善土基的水穩狀況，提高路面水穩性和抗凍脹能力，并可擴散荷載,以減少土基變形。因此，通常在土基濕、溫狀況不良時設置。墊層材料的強度要求不一定高，但是其水穩定性必須要好[6]。而在渠道抗凍設計中，墊層的主要作用是控制毛細管水控制在基層和墊層之間。而粗粒土具有非凍脹性，是墊層時的材料，但墊層材料會因為地下水位和含水率環境，根據不同的狀況可以分成不同的墊層標準，從而選擇不同的墊層材料，如風積砂、砂卵石、河砂等。

2.2 渠道抗凍脹墊層的厚度

渠道抗凍脹墊層的厚度取決于墊層材料、水分條件、等效熱阻等。首先，熱阻是反映阻止熱量傳遞能力的綜合量。熱量流過兩個相互接觸的固體的交界面時，界面本身會對熱流呈現出明顯的熱阻，熱阻是熱量在熱流路徑上遇到的阻力，它反映介質或介質間的傳熱能力的大小，熱阻越大，傳熱能力越小。因此，墊層材料的各層材料的熱阻也會因為接觸熱阻力。而渠道凍土的熱阻會等于墊層鋪設襯砌板、墊層和凍土層熱阻的相加，公式為：

式中，Hd為凍深；Hc為襯砌板厚度；Hs為墊層厚度；Ht為墊層下凍土層厚度；λf為原始的導熱值；λc為襯砌板的導熱值；λs為墊層導熱值；λt為墊層下凍土層厚度導熱值。

墊層的厚度和凍脹深度、凍脹量、平均凍脹強度、土的密度等有關，所以其公式的計算必須要將以上的數值算出，才能準確無誤地將墊層的厚度計算得出，以下是墊層厚度的計算公式：

3 抗凍脹墊層設計的數值模擬

3.1模擬設計的要點

首先，將渠道的狀況模擬為一個便于研究計算的環境，主要的模擬要素包括凍土、墊層、襯砌板作為模擬要素，假設為如下幾點：①凍土和墊層的動力拉伸作用是同向且均勻發生的；②在凍脹計算設計墊層時，將溫度梯度影響水分環境的作用看作為零，不考慮模擬數值之內；③只將熱傳導考慮在內，并不考慮其他熱力值；④不同土壤其溫度的變化是不同的，因此，要規定相變溫度才好展開模擬計算。

3.2 數值的凍脹量分析

將實際測試的凍脹量和渠道凍結實際部位，包括陰坡、渠底、陽坡三個部位的平均溫度進行數值模擬。因為將模擬數值設計成了模擬的數值，所以墊層材料的力學變形參數和現實狀態出入較大，因此，模擬結果肯定存在差異，如表1所示。

表1 模擬數值的凍脹量計算結果

陰坡的實測和原渠道模擬量一個為6.9 cm、一個為7.1 cm，兩者存在0.2 cm的差距；渠底實測和模擬量7.6 cm和5.4 cm，這個差距就相差比較大了；陽坡的實測和模擬量也存在差距。

但是，由表1可知，陰坡的凍脹量削減程度達到了95%；渠底的凍脹削減量則為87%；陽坡則為84%。雖然模擬與實測是存在一定的出入，但是可以在一定程度上反映一定的現實情況：抗凍脹墊層可以有效緩解渠道的凍脹現象，尤其以陰坡部位的抗凍脹效果最為明顯。

3.3 在抗凍脹墊層設計方法上的結論

墊層材料是阻擋毛細管水的上升，從而來削弱土壤的凍脹能力。因此，墊層的選擇應當計算好墊層下地下水位和顆粒級配；在數值模擬中，將最大持水量都看作了墊層含水量，將其認定為飽和狀態，但在實際過程中，一定要結合等效熱阻等原理對其進行更為科學準確的設計，才能有效結合工程質量效益和工程經濟效益的統一；鋪設抗凍脹墊層在陰坡部位及為有效，能夠削弱90%以上的凍脹能力；數值模擬和方法設計都是將各類條件設置為最不利的因素，所以其在現實中的真實效果較為可靠。

4 結 論

綜上所述，渠道抗凍脹墊層對渠道抗凍脹能力具有一定的效果，根據模擬數據的結果顯示，墊層的抗凍脹能力效果突出明顯，因此，渠道如果建設在季節性凍土地區時，一定要在之前結合多方面因素，比如水含量環境、土壤性質、地下水位、熱導溫度等，對渠道抗凍墊層的材料選擇和厚度的計算一定要科學地設計好，才能發揮抗凍脹墊層保護渠道不受基土凍脹的最大效應。

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