苯板厚度對混凝土襯砌渠道基土凍脹的影響

高丹

（遼寧省防汛抗旱指揮部辦公室，遼寧沈陽110003）

遼寧省是我國嚴重缺水省份之一，水資源時空分布不均勻，人均水資源占有量僅為全國的1/3。控制水田灌溉用水量，提高灌溉水利用率，成為解決缺水、費水問題最有效的戰略舉措。渠道襯砌防滲能極大地減少渠道滲漏損失，節水潛力巨大，成為我國應用最廣泛的節水工程技術[1]。為了消減凍脹破壞，提高投資效益，延長工程的使用年限，灌區渠道襯砌工程急需尋找新的防凍脹結構形式[2]。下面以遼寧開原灌區為例，對鋪設不同厚度苯板渠道的含水率、凍脹量、凍深和地溫變化規律進行了研究，以期為遼寧地區中小混凝土襯砌渠道設計、施工、管理提供理論指導。

1 工程概況及試驗設計

開原灌區屬北溫帶季風型大陸性氣候，夏季炎熱，初霜期在9月下旬，全年無霜期為145～165 d，4月末為終霜期；年日照時數約為2 585 h，11，12 月較短，5，6 月較長。平均風速45 m/s，秋冬多西北風，春夏多西南風，平均降水量為678 mm，地下水位在3～5 cm 之間。最大凍土深度為1.43 m，基土凍脹量在12～14 cm。開原灌區城郊干渠屬于中小混凝土襯砌渠道，下水埋深隨季節有較大變幅，封凍前地下水位埋深為0.83 m，秋澆后水位急劇上升。凍脹試驗場位于開原灌區城郊干渠二閘西南方向6+400 處，設置6 個不同厚度（1.5～9.0 cm）苯板處理，另設置1 個對照組（無保溫處理）。每個試塊面積均為5 m×5 m，試塊上均砌筑8 cm 混凝土砌塊。試驗觀測期為2017 年11 月至2019 年5月，共2 個完整凍融周期。觀測內容包括基土土質、地下水位、土壤含水率、基土凍脹量、基土地溫、基土分層凍脹量等。

2 結果與分析

2.1 保溫效果分析

用不同厚度苯板渠道凍融期內日平均溫度計算得到總積溫值，增溫效果與總積溫變化，如圖1所示。可以看出，對比段的總積溫平均值為191.05 ℃，鋪設苯板對渠道凍融期內總積溫的增溫效果比較顯著，隨著苯板厚度的增加，觀測期內基土溫差值逐漸減小，而總積溫值不斷增加；鋪設苯板后增溫效果為249.95%～570.08%，基土的溫差值為14.15～11.03 ℃，減幅為52.06%～65.31%，表明苯板越厚，增溫值也越大，鋪設聚苯板可以顯著減小觀測期內溫差值。苯板鋪設厚度為1.5～9.0 cm 時，增溫效果最為顯著，隨后繼續增加苯板厚度，增溫效果變緩。因此，考慮苯板的最佳鋪設厚度為6.0 cm。

對不同厚度苯板處理的觀測期平均溫度值進行分析，得到單位厚度苯板的增溫值，如圖2 所示。可以看出，鋪設的苯板越厚，單位厚度保溫板的增溫效果越差，每增加鋪設1 cm 厚苯板能提高40 cm 處地溫1.24 ℃。

圖1 不同苯板處理增溫效果與總積溫

圖2 單位厚度苯板的增溫效果

對凍融觀測期的不同土層深度地溫值進行統計，得到外界極值溫度條件下不同土層深度的溫度分布，如圖3 所示。在外界極高溫度條件下，隨著土層深度的增加，對照組呈線性下降，而鋪設苯板后，10～40 cm 土層的溫度顯著降低，表明在高溫條件苯板能有效阻止外界熱量的輸入，隔熱效應較好，苯板鋪設的越厚，隔熱效果也越顯著。通過對比可以看出，對于40 cm 以下土層隨著土層深度的增加，鋪設苯板對地溫影響幅度逐漸減小。鋪設苯板對10～40 cm 土層的地溫影響較大，而對10 cm 以上土層地溫無顯著影響。

2.2 防凍脹效果分析

對不同厚度苯板處理的表層凍脹量最大值進行統計，并計算其凍脹量削減量和削減率，如表1所示。苯板厚度為6.0 cm 時，削減凍脹率大于90%，即苯板鋪設厚度為6.0 cm 即可到達很好的防凍脹效果。對比凍融期內單位苯板削減凍脹量值可以看出，隨著苯板鋪設厚度的增加，單位厚度苯板削減凍脹量值不斷減小，單位厚度苯板削減凍脹量與苯板厚度呈明顯的冪函數關系，平均單位厚度苯板削減凍脹量為19.22 mm/cm。

圖3 極值溫度條件下不同土層深度溫度分布圖

表1 不同厚度苯板處理削減率及凍脹量特征值

2.3 削減凍深規律分析

統計出不同厚度苯板處理的基土凍深削減值及最大凍深值，如表2 所示。在凍融期內，不同厚度苯板處理具有相同的變化規律，且差異不明顯，而對照組的凍脹變化幅度顯著大于鋪設苯板的凍深變化幅度。隨著苯板厚度的增加，基土的最大凍深不斷減小，平均削減凍深70.42%～83.58%，表明苯板鋪設厚度越厚，保溫效果越好，基土凍深也越小。苯板鋪設厚度為6.0 cm 時可達到顯著的削減凍深效果，其削減凍深達79.22%。

表2 苯板厚度對基土削減率及最大凍深的影響

苯板鋪設條件下單位厚度苯板削減凍深量值的計算結果，如圖4 所示。可以看出，隨著苯板厚度的增加，單位厚度削減凍深值逐漸減小，二者呈明顯的冪函數關系。單位厚度苯板削減凍深4.10～21.38 cm，其中，苯板條件下單位鋪設厚度為1.5 cm 時，苯板削減凍深值最大。

圖4 不同苯板厚度處理削減凍深及最大凍深關系曲線

2.4 基土水分遷移規律分析

以對照組和苯板處理條件下的基土水分遷移情況進行分析，如表3 所示。可以看出，凍融期內10～40 cm 土壤含水率不斷增大，而40～60 cm 土層的含水率明顯減小，表明凍結過程中水分向凍結鋒面發生遷移，即水分由40 cm 以下的土層向40 cm 以上土層遷移。

表3 不同處理條件下0～50 cm 土壤深度的水分變化值%

3 結論

通過開原灌區原位凍脹試驗平臺，對不同厚度苯板下混凝土襯砌渠道的保溫效果、防凍脹效果、削減凍深規律及基土水分遷移規律進行研究，得出以下結論：苯板鋪設厚1.5～9.0 cm 條件下，總積溫增溫效果分別為249.95%～570.08%；鋪設苯板對10～40 cm 土層的地溫影響最大，單位厚度聚苯板的增溫值為1.24 ℃；苯板對凍脹量削減效果極為顯著，凍脹削減率達到53.64%～95.84%。隨著聚苯板厚度的增加而單位厚度聚苯板削減凍脹量值不斷減小，單位厚度苯板凍脹削減量為19.22 mm；苯板的凍深削減效果也極為顯著，平均削減凍深70.42%～83.58%；土體凍結過程中水分向凍結鋒面發生遷移，導致土體表面隆起、變形，消融過程中，0～40 cm 土體表層隆起凍脹變形逐漸減小。所以，鋪設苯板可以減小基土凍脹率的變化幅度，延緩凍脹歷程，減小凍結速率。該試驗能夠為遼寧地區中小混凝土渠道襯砌選用苯板保溫提供參考。