寧夏引黃灌區(qū)典型渠段苯板防凍脹試驗(yàn)研究

武慧芳 陸立國(guó) 顧靖超

摘 要：為探究聚苯乙烯保溫板在寧夏引黃灌區(qū)襯砌渠道防凍脹中的應(yīng)用效果，通過(guò)在典型渠段上建立試驗(yàn)段，設(shè)置不同位置、不同厚度聚苯乙烯保溫板觀測(cè)斷面，進(jìn)行氣溫、凍脹量與渠基土含水率原型觀測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明：聚苯乙烯保溫板能夠明顯減小渠道凍脹量，陰坡凍脹量大于陽(yáng)坡的，渠坡頂點(diǎn)位置凍脹量最大，鋪設(shè)聚苯乙烯保溫板有改善渠基土水分遷移狀況、使基土不易發(fā)生凍脹的作用。

關(guān)鍵詞：凍脹量；土壤含水率；聚苯乙烯保溫板；寧夏引黃灌區(qū)

中圖分類號(hào)：TV41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2018.06.033

多年來(lái)渠道凍脹一直是制約混凝土渠道運(yùn)行的關(guān)鍵因素，同時(shí)防凍脹破壞也是水利工程的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。筆者結(jié)合寧夏引黃灌區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū)的地域特色，在秦渠干渠選取具有代表性的東西走向試驗(yàn)段，通過(guò)設(shè)置不同位置、不同厚度聚苯乙烯保溫板觀測(cè)斷面，進(jìn)行渠道氣溫、凍脹量及土壤含水率現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究渠道保溫襯砌材料聚苯乙烯保溫板的防凍脹效果，以及保溫板厚度與凍脹量、土壤含水率之間的關(guān)系，以期為北方寒冷地區(qū)襯砌渠道防凍脹提供參考。

1 試驗(yàn)段概況及觀測(cè)方法

1.1 試驗(yàn)段概況

試驗(yàn)段位于秦渠吳忠市秦壩關(guān)下游，樁號(hào)7+100-8+950.呈東西走向，渠道斷面形式為弧底梯形斷面，設(shè)計(jì)流量50 m3/s.渠深3.6 m，渠口寬28 m，底寬14.5 m.比降0.000 2.最大水深2.65 m，屬挖方渠道，土質(zhì)為壤土，凍土深度一般為50—90 cm，最大凍深為105 cm。試驗(yàn)段共設(shè)置5個(gè)觀測(cè)斷面，每個(gè)觀測(cè)斷面設(shè)置9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分布圖見(jiàn)圖1，斷面襯砌形式見(jiàn)表1。

1.2 觀測(cè)指標(biāo)及方法

（1）氣溫：選用CAWS100溫度雨量自動(dòng)氣象站，自動(dòng)記錄每天各時(shí)刻的氣溫?cái)?shù)據(jù)。

（2）凍脹量：采用鋼筋錨固牽拉鋼絲的方法，利用直角鋼尺，測(cè)量測(cè)點(diǎn)距地面的垂直距離，每3d觀測(cè)一次。

（3）土壤含水率：采用TDR土壤剖面水分儀進(jìn)行不同深度基土含水率的觀測(cè)，凍結(jié)前、中、后期各觀測(cè)一次。

2 氣溫觀測(cè)

2014-2015觀測(cè)年度，氣溫觀測(cè)時(shí)間為2014年11月26日至2015年3月25日，觀測(cè)總天數(shù)為120 d.氣溫變化特征值見(jiàn)表2，各月氣溫見(jiàn)表3，觀測(cè)期最高、最低和平均氣溫變化過(guò)程線見(jiàn)圖2。

由觀測(cè)結(jié)果可知.2014-2015年度觀測(cè)天數(shù)120 d.其中負(fù)溫天數(shù)為85 d.-10℃以下天數(shù)僅為ld.日均氣溫為-1. 25℃。日最高氣溫為19.0℃，出現(xiàn)在2015年3月15日：2014年12月21日出現(xiàn)了一次降溫，成為凍融期最低氣溫-17.7 ℃.較歷年最低氣溫-28℃高：到3月份，月平均最低氣溫為-4.2℃：凍結(jié)指數(shù)為405℃.d.較灌區(qū)歷年平均凍結(jié)指數(shù)666.7℃.d小。凍融周期氣溫整體偏高，變化平穩(wěn)，出現(xiàn)負(fù)氣溫的天數(shù)明顯減少，也沒(méi)有出現(xiàn)極端天氣。由此說(shuō)明，2014-2015年度凍融周期屬于暖冬。

3 凍脹量試驗(yàn)分析

各測(cè)點(diǎn)凍脹量過(guò)程線見(jiàn)圖3。

測(cè)點(diǎn)1位于渠道陰坡（南坡）坡面最高水位處，對(duì)比該測(cè)點(diǎn)無(wú)保溫板和分別鋪設(shè)厚度為4、6、8、10 cm保溫板所產(chǎn)生的凍脹量，最大凍脹量依次為5.8、3.5、2.4、0.5、0.2 cm，可見(jiàn)保溫板能夠減小渠道凍脹量，且隨著保溫板厚度的增大，凍脹量逐漸減小。從凍脹量過(guò)程線可以看出.4 cm與6 cm保溫板凍脹量相近，8cm與10 cm保溫板凍脹量相近。

測(cè)點(diǎn)2位于渠道陰坡（南坡）1/2最高水位處，凍脹量過(guò)程線變化規(guī)律同測(cè)點(diǎn)1相似，最大凍脹量依次為5.5、3.1、2.0、0.7、0 cm。

測(cè)點(diǎn)3位于渠道陰坡（南坡）與圓弧坡腳相交處，最大凍脹量依次為3.5、2.3、2.1、1.3、1.0 cm。該測(cè)點(diǎn)凍脹量變化規(guī)律同測(cè)點(diǎn)1、2相似。

測(cè)點(diǎn)1、2、3均為渠道陰坡（南坡）邊坡測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)凍脹量變化情況相似。無(wú)保溫板凍脹量最大，鋪設(shè)保溫板可顯著減小凍脹量，且隨著保溫板厚度的增大凍脹量逐漸減小。從觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，測(cè)點(diǎn)1凍脹量最大，其原因是測(cè)點(diǎn)1位于渠道最高水位處，接近渠道頂點(diǎn)位置，受水平方向凍脹力的作用，凍脹量最大。

測(cè)點(diǎn)4位于陰坡（南坡）坡腳處，對(duì)比該測(cè)點(diǎn)20、25、30 cm現(xiàn)澆混凝土板所產(chǎn)生的凍脹量以及20 cm現(xiàn)澆混凝土板+4、6 cm苯板所產(chǎn)生的凍脹量，20、25、30 cm現(xiàn)澆混凝土板最大凍脹量依次為7.1、5.1、3.6 cm.20 cm現(xiàn)澆混凝土板+4、6 cm苯板最大凍脹量分別為1.5、1.0 cm。由以上數(shù)據(jù)可以看出，隨著現(xiàn)澆混凝土厚度的增大，凍脹量有小幅度的減小，說(shuō)明現(xiàn)澆混凝土板具有一定的防凍脹能力，將20 cm現(xiàn)澆混凝土板與鋪設(shè)保溫板斷面測(cè)點(diǎn)相比較，發(fā)現(xiàn)保溫板能夠顯著減小渠道凍脹量，具有較好的防凍脹效果。

測(cè)點(diǎn)6位于陽(yáng)坡（北坡）圓弧坡腳中間位置，由于該測(cè)點(diǎn)日照時(shí)間長(zhǎng)，并且可利用圓弧坡腳自身的反拱作用抵抗一定的凍脹變形，因此在此位置沒(méi)有設(shè)置聚苯乙烯保溫板，斷面1至斷面5各測(cè)點(diǎn)凍脹量依次為1.8、2.2、2.3、2.0、1.5 cm，各斷面測(cè)點(diǎn)6凍脹量相差不大，凍脹量過(guò)程線多處相交、重合。將該測(cè)點(diǎn)凍脹量與陰坡測(cè)點(diǎn)4中20 cm現(xiàn)澆混凝土斷面凍脹量7.1 cm相比較發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)坡凍脹量明顯低于陰坡對(duì)應(yīng)位置的凍脹量。

測(cè)點(diǎn)7位于陽(yáng)坡（北坡）坡面與圓弧坡腳相交處，對(duì)比該測(cè)點(diǎn)無(wú)保溫板和鋪設(shè)4、6、8、10 cm不同厚度保溫板所產(chǎn)生的凍脹量，最大凍脹量依次為3.1、2.2、1.3、0.8、0.5 cm。由以上數(shù)據(jù)可以看出無(wú)保溫板斷面測(cè)點(diǎn)凍脹量最大，鋪設(shè)保溫板可有效減小凍脹量，且隨著保溫板厚度的增加，凍脹量均有不同程度的減小。由凍脹量過(guò)程線可知，4 cm保溫板可顯著減小渠道凍脹量，同樣6、8、10 cm保溫板都有顯著減小凍脹量的作用，但是三者凍脹量過(guò)程線相近，多處交叉重合，保溫效果相近。

測(cè)點(diǎn)8位于渠道陽(yáng)坡（北坡）最高水位1/2位置，無(wú)苯板和分別鋪設(shè)厚度為4、6、8、10 cm苯板的最大凍脹量依次為2.8、2.4、1.0、0.9、0.5 cm。該測(cè)點(diǎn)凍脹量變化規(guī)律同測(cè)點(diǎn)7相似，無(wú)保溫板斷面測(cè)點(diǎn)凍脹量最大，鋪設(shè)保溫板后，凍脹量明顯減小，且隨著保溫板厚度的增加，凍脹量均有不同程度的減小。凍脹量過(guò)程線中，4 cm保溫板能夠減小一定的凍脹量，6、8、10 cm保溫板凍脹量三者過(guò)程線多處相交重合，保溫效果相近，可大幅度減小凍脹量。

測(cè)點(diǎn)9位于渠道陽(yáng)坡（北坡）最高水位處，無(wú)苯板和分別鋪設(shè)厚度為4、6、8、10 cm苯板的最大凍脹量依次為4.2、2.7、1.2、0.8、0，6 cm。從以上數(shù)據(jù)可以看出無(wú)保溫板斷面測(cè)點(diǎn)凍脹量最大，即凍脹最為嚴(yán)重，鋪設(shè)保溫板能夠減小凍脹量，4 cm與6 cm保溫板可顯著減小凍脹量.8 cm與10 cm保溫板凍脹量過(guò)程線基本重合，且與6 cm保溫板凍脹量過(guò)程線相近。

測(cè)點(diǎn)7、8、9均為渠道陽(yáng)坡（北坡）測(cè)點(diǎn)，其中位于渠道最高水位處的測(cè)點(diǎn)9凍脹量最大，規(guī)律同陰坡測(cè)點(diǎn)相一致。渠道陽(yáng)坡受日照時(shí)間長(zhǎng)，凍脹程度較陰坡輕一些，相同觀測(cè)年度各測(cè)點(diǎn)凍脹過(guò)程線變化趨勢(shì)相近，沒(méi)有鋪設(shè)保溫板斷面的凍脹量明顯大于不鋪設(shè)保溫板斷面的，并且鋪設(shè)保溫板的斷面凍脹量隨著保溫板厚度的增加而減小，當(dāng)保溫板厚度超過(guò)6 cm時(shí)凍脹量減小幅度比較小。

4 土壤含水率變化

含水率測(cè)點(diǎn)斷面襯砌形式如下：陰坡邊坡為6 cm厚C15預(yù)制混凝土板+3 cm厚M5水泥砂漿+復(fù)合土工膜（ 0.03 cm/150 g）+6 cm厚苯板，陰坡坡腳為20 cm厚C20現(xiàn)澆混凝土圓弧坡腳，陽(yáng)坡邊坡為6 cm厚C15預(yù)制混凝土板+3 cm厚M5水泥砂漿+復(fù)合土工膜（0.03 cm/150 g）+4 cm厚苯板，陽(yáng)坡坡腳為20 cm厚C20現(xiàn)澆混凝土圓弧坡腳，渠底為6 cm厚C15預(yù)制混凝土板+3 cm厚M5水泥砂漿+復(fù)合土工膜（0，03 cm/150 g）。含水率觀測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，各測(cè)點(diǎn)凍結(jié)前、中、后期含水率見(jiàn)圖4。

凍結(jié)前、中、后期土壤含水率數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，凍結(jié)前期土壤含水率隨著測(cè)點(diǎn)深度增加逐漸變大，并且陰坡測(cè)點(diǎn)1、3大于陽(yáng)坡測(cè)點(diǎn)9、8、7；凍結(jié)中期測(cè)點(diǎn)含水率均有不同程度的增大，陰坡測(cè)點(diǎn)含水率依然大于陽(yáng)坡的：凍結(jié)后期上部測(cè)點(diǎn)含水率減小，但是下部測(cè)點(diǎn)含水率稍有增大，其原因?yàn)橥寥缽膬鼋Y(jié)到消融過(guò)程中，上部測(cè)點(diǎn)水分子不斷發(fā)生遷移以及暴露在空氣中產(chǎn)生蒸發(fā)等，下部測(cè)點(diǎn)在消融后，水分子因重力作用而向下滲流[3]。

由各測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)期的土壤含水率曲線對(duì)比可以看出，測(cè)點(diǎn)1、3與測(cè)點(diǎn)7、8、9鋪設(shè)有不同厚度的聚苯乙烯保溫板，凍結(jié)前期、后期含水率雖然有一定程度的增加，但是增加幅度并不是很大，說(shuō)明聚苯乙烯保溫板能夠改善基土水分的遷移狀況，使基土不易發(fā)生凍脹[4]。測(cè)點(diǎn)5、6、7位置沒(méi)有鋪設(shè)保溫板，凍結(jié)前期、后期含水率變化顯著，且含水率曲線在40～ 60 cm土層變化較大，其原因是土壤最大凍深在該土層范圍內(nèi)，水分子在該范圍內(nèi)大量聚集，使得含水率偏高。

5 結(jié)論

通過(guò)在寧夏引黃灌區(qū)秦渠骨干渠道上選取典型試驗(yàn)段，對(duì)氣溫、凍脹量與土壤含水率進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

（1）聚苯乙烯保溫板能夠明顯減小渠道的凍脹量，且隨著保溫板厚度的增大，凍脹量逐漸減小。受太陽(yáng)輻射影響，陰坡凍脹量明顯大于陽(yáng)坡的：同一觀測(cè)斷面的渠道邊坡測(cè)點(diǎn)，頂端凍脹量最大：現(xiàn)澆混凝土板有一定的減小凍脹量作用，但是減小幅度較聚苯乙烯保溫板小得多。

（2）渠基土凍結(jié)中期含水率高于凍結(jié)前期、后期。凍結(jié)前期土壤含水率隨著測(cè)點(diǎn)深度的增加而增大：凍結(jié)中期土壤含水率在最大凍深范圍內(nèi)最大：凍土后期上部測(cè)點(diǎn)土壤含水率減小，下部測(cè)點(diǎn)土壤含水率增大。

（3）同一觀測(cè)斷面陰坡測(cè)點(diǎn)含水率大于陽(yáng)坡的，渠底的大于邊坡的，且聚苯乙烯保溫板能夠改善渠基土水分的遷移狀況，使基土不易發(fā)生凍脹。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張國(guó)軍，陸立國(guó)，影響襯砌渠道凍脹破壞嚴(yán)重的關(guān)鍵因素[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2012（9）：105-108.

[2]薛塞光，寧夏寒冷地區(qū)骨干渠道砌護(hù)技術(shù)研究[J].人民黃河，2012，34（1）：96-98.

[3] 郭占榮，荊恩春，聶振龍，等，凍結(jié)期和凍融期土壤水分運(yùn)移特征分析[J].水科學(xué)進(jìn)展，2002.13（3）：298-302.

[4]程滿金，申利剛，步豐湖，等，聚苯乙烯保溫板在襯砌渠道防凍脹中的應(yīng)用研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2011，30（5）：22-27.