不同地下水位下渠基凍脹規(guī)律與保溫板適宜厚度確定

郭富強(qiáng)，史海濱，程滿金，高文慧

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不同地下水位下渠基凍脹規(guī)律與保溫板適宜厚度確定

郭富強(qiáng)1,2，史海濱1※，程滿金2，高文慧2

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018； 2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，呼和浩特 010060）

為探明河套灌區(qū)不同地下水位條件下渠基凍脹的差異，了解地下水位變化對(duì)渠基土壤水分遷移和力學(xué)性能的影響，該文通過建立不同地下水位凍脹試驗(yàn)平臺(tái)并結(jié)合原型渠道，分析了不同地下水位對(duì)鋪設(shè)不同厚度聚苯板的基土凍脹的影響，闡述了凍脹率和截面彎矩沿渠坡的分布規(guī)律，提出了不同地下水位下聚苯板適宜鋪設(shè)厚度的理論計(jì)算公式。試驗(yàn)得出，每降低1 cm地下水位，基土凍脹量減小0.15 cm。當(dāng)?shù)叵滤唤档?.5～1.0 m后，削減凍脹率為71%～83.8%。地下水位下降有效阻止或延緩了土壤毛細(xì)水的上升，降低了0～30 cm土層的土壤水分，有效阻止了凍結(jié)鋒面水分的遷移，減小了土體中冰夾層的形成，從而降低了土體的凍脹變形。并且，渠道的凍脹破壞部位隨著地下水位的不同而發(fā)生變化。該研究可為北方季節(jié)性凍土區(qū)骨干渠道保溫防凍脹技術(shù)研究提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

地下水；水位；EPS；凍脹理論；截面彎矩；水分遷移規(guī)律

0 引 言

河套灌區(qū)屬于溫帶大陸性干旱、半干旱氣候帶。冬季漫長(zhǎng)寒冷，為季節(jié)凍土區(qū)?；羶鋈谶^程一般在10月中旬封凍，翌年5月下旬融通，個(gè)別年份可至6月上旬融通，形成一個(gè)凍融周期。受灌溉水的影響，灌區(qū)地下水位較高，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。由于負(fù)溫的作用，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)過幾個(gè)凍融周期的反復(fù)交替，灌區(qū)已建的襯砌渠道與防滲工程都不同程度地遭受到凍脹破壞。渠道凍脹破壞嚴(yán)重，襯砌渠道混凝土面板大量出現(xiàn)了架空、隆起局部坍塌等破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

在渠道凍脹方面，中國已經(jīng)有較充分的研究。張俊英[1]通過大型有限元分析的方法對(duì)梯型混凝土襯砌渠道在凍結(jié)期間溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究。王婧等[2-3]對(duì)現(xiàn)澆混凝土渠道凍脹過程進(jìn)行原型觀測(cè)試驗(yàn)，探究了渠道襯砌層凍脹破壞變形的產(chǎn)生機(jī)理。王正中[4-5]將渠坡板視做簡(jiǎn)支梁提出了梯形渠道砼襯砌凍脹破壞的力學(xué)模型，解出了渠坡襯砌板控制內(nèi)力及最大拉應(yīng)力計(jì)算公式，并對(duì)剛性襯砌渠道不同縱縫削減凍脹效果的進(jìn)行了數(shù)值模擬。肖旻等[6]推導(dǎo)出了受地下水位影響的渠道基土凍脹強(qiáng)度、凍深和彎矩分布的計(jì)算公式，從整體和局部定量分析了梯形渠道襯砌凍脹力分布的不均勻性。卞曉琳等[7]認(rèn)為凍脹的實(shí)質(zhì)就是凍土中水分遷移引起的宏觀表現(xiàn)。劉志斌等[8-10]分析了渠道凍脹破壞機(jī)理，并通過理論公式只計(jì)算出了特定地下水位梯形渠道聚苯板的適宜鋪設(shè)厚度。雖然中國目前在渠道防凍脹方面取得了大量試驗(yàn)研究成果[11-18]，但在不同地下水位對(duì)渠道基土凍脹的影響方面研究甚少，目前中國沒有建立在不同地下水位平臺(tái)基礎(chǔ)上的相關(guān)凍脹試驗(yàn)及研究。因此，本文以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)骨干渠道和凍脹試驗(yàn)平臺(tái)為研究對(duì)象，分析不同地下水位對(duì)渠道凍脹影響效應(yīng)，并從土壤水分變化和力學(xué)角度闡述了梯形渠道的凍脹變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

試驗(yàn)區(qū)位于河套灌區(qū)永濟(jì)灌域南邊分干渠二閘西南方向8 km+200 m處。年平均氣溫6.9 ℃，平均相對(duì)濕度40%～50%，多年平均降雨量為144.2 mm，溫差較大，光照充足，年日照時(shí)數(shù)為3 100～3 300 h，試驗(yàn)場(chǎng)地質(zhì)為重粉質(zhì)壤土，屬強(qiáng)凍脹性土壤，凍結(jié)歷時(shí)180～240 d左右，凍結(jié)指數(shù)為536～3 450 （℃·d），凍深在70～120 cm之間。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)設(shè)置3種不同地下水位的試驗(yàn)平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)面積40 m′6 m，平臺(tái)一與地面齊平，平臺(tái)二相對(duì)高程為0.5 m，平臺(tái)三相對(duì)高程為1.0 m，3種平臺(tái)土質(zhì)與容重均相同。3種平臺(tái)上分別設(shè)置6塊3 m′3 m的試塊，上面鋪設(shè)預(yù)制混凝土板，其中1塊為對(duì)比處理，不鋪設(shè)保溫板，其他5塊分別鋪設(shè)2、4、6、8和10 cm厚聚苯乙烯保溫板。平臺(tái)二與平臺(tái)三側(cè)面分別垂直鋪設(shè)6 cm聚苯乙烯保溫板，防止外界低溫對(duì)試塊基土溫度的影響。平面和立面布置圖如圖1所示，試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)表如表1所示。

注：50、100 cm為地面到預(yù)制混凝土板下表面的距離，文中數(shù)字單位為cm。

在本試驗(yàn)中，各個(gè)試塊四周均垂直鋪設(shè)了聚苯乙烯保溫板，保溫板厚為6 cm，減少了周邊熱交換，保證熱運(yùn)動(dòng)是一維，從而削減水平方向凍脹變形對(duì)試塊垂直方向變形的影響。另外，試塊之間（間隔1 m的范圍內(nèi)）均對(duì)0～30 cm的土進(jìn)行了換填，換填為砂土，減少外界凍脹對(duì)試塊基土的影響，為只研究各試塊基土在垂直一維凍脹變形提供保證。另外，每個(gè)試塊中同一層地溫均對(duì)角線埋置了3組探頭，間距1 m，埋設(shè)深度分別為保溫板下、混凝土板下10 cm、混凝土板下30 cm、混凝土板下50 cm，經(jīng)同一層地溫對(duì)比分析，差值小于5%，表明外界對(duì)試塊水平方向凍脹影響較小，可忽略不計(jì)。

表1 不同地下水位平臺(tái)試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)觀測(cè)內(nèi)容主要包括凍脹量、土壤含水率、地下水位和地溫等。地溫采用18B20溫度傳感器，觀測(cè)精度±0.5 ℃，傳感器埋設(shè)深度共分5層，每10 cm一層，每層布設(shè)1個(gè)傳感器。通過自動(dòng)化采集系統(tǒng)及GPRS網(wǎng)絡(luò)完成地溫?cái)?shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、傳輸、儲(chǔ)存。每30 min采集1次數(shù)據(jù)，采集系統(tǒng)放在保護(hù)房?jī)?nèi)，采用水準(zhǔn)儀觀測(cè)不同保溫處理的凍脹變形量。分別在封凍前、最大凍深時(shí)和凍融結(jié)束后，采用人工鉆孔取樣烘干法測(cè)定不同深度的土壤含水率，地下水觀測(cè)井采用自計(jì)水位計(jì)自動(dòng)采集水位變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地下水位對(duì)基土凍脹變形影響

通過2015年11月至2016年4月一個(gè)完整凍融期的觀測(cè)，繪制出3種地下水位條件下無保溫處理凍脹量變化過程線如圖2所示。

由圖2可以看出，從基土11月下旬開始發(fā)生凍脹變形，并隨著時(shí)間的變化凍脹量逐漸增大；到2月中下旬時(shí)進(jìn)入最大凍脹期，之后隨著氣溫的回升，基土凍脹量又逐漸減?。坏?月中旬，0.5 m平臺(tái)和1 m平臺(tái)2種處理下的凍脹基本消除，無殘余變形，而地面高程條件下存在殘余變形，殘余變形量為1 cm。在整個(gè)凍融期內(nèi)，0.5 m平臺(tái)和1.0 m平臺(tái)2種地下水位條件下凍脹量小于地面高程條件下的凍脹量。

圖2 不同水位下無保溫處理基土凍脹量變化過程線

2015年12月凍結(jié)初期實(shí)測(cè)地面高程條件下地下水位埋深為1.28 m，0.5 m平臺(tái)地下水埋深為1.78 m，1.0 m平臺(tái)地下水位埋深為2.28 m。計(jì)算出凍融期內(nèi)3種地下水位條件下鋪設(shè)2～10 cm保溫板處理的最大凍脹量柱狀圖如圖3所示。

圖3 不同厚度EPS板處理基土最大凍脹量

由圖3可以看出，隨著保溫板厚度的增加，最大凍脹量逐漸減小，并且鋪設(shè)的保溫板越厚，地下水位對(duì)基土凍脹影響越小，該研究結(jié)果與文獻(xiàn)[19-22]相符。

表2為不同地下水位條件下最大凍脹量與削減凍脹量。由表2可知，與地面條件下相比，當(dāng)?shù)叵滤幌鄬?duì)降低0.5～1.0 m后，削減凍脹量為8.8～10.4 cm，凍脹削減率為71%～83.8%?？梢?，降低地下水位可以明顯減小基土凍脹量。另外計(jì)算出每降低1 cm地下水位，基土凍脹量可減小0.15 cm。表明在實(shí)際工程運(yùn)用中可以通過降低地下水位來達(dá)到減小基土凍脹的目的。

2.2 地下水位對(duì)基土土壤含水量的影響

2.2.1 不同地下水位土壤水分分布規(guī)律

對(duì)最大凍結(jié)期內(nèi)3種不同地下水位下無保溫處理平臺(tái)的土壤含水率進(jìn)行取土測(cè)定，取樣位置位于試塊中間，同一層平行取樣3個(gè)，樣點(diǎn)間隔10 cm，取樣時(shí)間為2016年2月11日，取樣深度為0～50 cm，每10 cm一層，每個(gè)平臺(tái)共計(jì)15個(gè)樣本數(shù)。

表2 不同地下水位條件下最大凍脹量與削減凍脹量

運(yùn)用Suffer.11軟件繪制出地面高程、0.5 m平臺(tái)和1.0 m平臺(tái)3種地下水位條件下0～50 cm土層土壤含水率的分布圖如圖4所示。

圖4 不同地下水位條件下土壤含水率分布

由于測(cè)定的數(shù)據(jù)是同一層的平行3個(gè)點(diǎn)的含水率數(shù)據(jù)，因此采用Suffer.11軟件繪制的土體剖面含水率分布結(jié)果具有較強(qiáng)的可靠性和代表性。由圖4可以看出，隨著地下水位埋深的增大，0～50 cm土壤水分在逐漸減小，地下水位的變化對(duì)0～30 cm的土壤水分影響最大。表明地下水位下降有效阻止或延緩了土壤毛細(xì)水的上升，降低了表層以下30 cm土層的土壤含水率。

2.2.2 地下水位對(duì)基土土壤含水率遷移的影響

計(jì)算出3種不同高程處理0～50 cm土層在封凍前的土壤含水率，并計(jì)算出在最大凍結(jié)期和融通后的水分遷移值如表3所示。

表3 3種不同高程處理土壤水分遷移變化

注：遷移率等于凍結(jié)期（融化期）含水率減去初始含水率.“+”表示水分向上遷移；“-”表示水分向下遷移.

Note: Mobility was equal to water content during freezing period (melting period) minus initial water content. "+" represents the upward migration of water; "-'' indicates a downward movement of water.

通過表3可以看出，3種高程處理0～50 cm土壤含水率在封凍前-最大凍結(jié)期-消融期具有相同的變化規(guī)律。在封凍前-最大凍結(jié)期，0～30 cm土層土壤含水率在增大，而>30～50 cm含水率在減小，表明在凍結(jié)過程中土壤水分由下層土層向上層發(fā)生了遷移；在最大凍結(jié)期-消融期，0～30 cm土層土壤含水率在減小，而>30～50 cm含水率在增大，表明在消融過程中土壤水分由上層土層向下層發(fā)生了遷移。并且隨著地下水埋深的增大，土壤水分遷移率逐漸減小。表明降低地下水位可以有效阻止凍結(jié)鋒面水分的遷移，減小土體中冰夾層的形成，從而降低了土體的凍脹變形[23-25]。

在本試驗(yàn)中，實(shí)際上是運(yùn)用基土抬升措施來模擬地下水位下降。為了說明基土抬升與地下水位下降2種條件對(duì)于基土含水率及凍脹影響的一致性，本試驗(yàn)對(duì)實(shí)際地下水位下降和基土抬升2種條件下0～50 cm土壤水分遷移進(jìn)行了研究。

圖5給出了2015年11月至2016年4月一個(gè)完整凍融期內(nèi)試驗(yàn)區(qū)地面高程條件下地下水位埋深變化過程線。由圖5得出地下水位埋深為1.28 m的時(shí)間為2015年12月20日，根據(jù)地下水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，2016年1月10日對(duì)應(yīng)的水位埋深為1.78 m。由上述2個(gè)不同時(shí)期0～50 cm含水率數(shù)據(jù)計(jì)算出地下水位實(shí)際降低50 cm的遷移率。

再根據(jù)2015年12月20日地面高程和0.5 m平臺(tái)（抬高50 cm） 2種地下水位條件下0～50 cm土層土壤含水率數(shù)據(jù)計(jì)算出地面抬升50 cm后的水分遷移率。計(jì)算結(jié)果如表4所示。

圖5 地面高程條件下地下水埋深變化過程線

表4 不同地下水位設(shè)置條件下地表以下50 cm水分遷移量

通過表4可以看出，地下水位實(shí)際下降和地面抬升2種條件下0～50 cm土壤水分都在減小，并且遷移量隨著深度的增加而增大，遷移率相差1.75%～4.46%，說明無論地面抬升還是地下水位下降，土壤水分運(yùn)移具有一致變化規(guī)律。另外，凍脹主要是由于水分遷移導(dǎo)致的，所以地下水位下降和基土抬高二者條件下水分遷移對(duì)于基土凍脹的作用也是相一致的。

2.3 不同地下水位適宜鋪設(shè)的EPS保溫板厚度理論計(jì)算

通過地溫系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出2015～2016年度凍融期內(nèi)地面高程、0.5 m平臺(tái)和1.0 m平臺(tái)3種地下水位條件下鋪設(shè)的2、4、6、8和10 cm聚苯乙烯板（EPS）板下最低溫度平均值如下表5所示。

表5 3種地下水位條件下鋪設(shè)EPS板下最低溫度

擬合出不同地下水位條件下保溫板厚度和板下最低溫度的關(guān)系式如公式（1）、公式（2）和公式（3）所示。

地下水位為1.28 m時(shí)

=-0.021 22+0.666 5-3.3582=0.950 6 （1）

地下水位為1.78 m時(shí)

=0.015 42+0.174 7-1.5322=0.963 8 （2）

地下水位為2.28 m時(shí)

=0.022 12+0.074 3-1.0082=0.978 1 （3）

式中為鋪設(shè)的聚苯板厚度（cm），為板下最低溫度（℃）；

當(dāng)保溫板下無負(fù)溫時(shí)，即=0時(shí)，分別計(jì)算出3種不同地下水位條件下適宜鋪設(shè)的聚苯板厚度為

地下水位為1.28 m時(shí)，=6.3（cm）；

地下水位為1.78 m時(shí)，=5.8（cm）；

地下水位為2.28 m時(shí)，=5.2（cm）。

將計(jì)算出的聚苯板適宜鋪設(shè)厚度與地下水位埋深進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出不同地下水位條件下聚苯板適宜鋪設(shè)厚度的理論計(jì)算公式如公式（4）所示。

=-1.1+7.724 7 （4）

式中為地下水位埋深（m），為聚苯板適宜的鋪設(shè)厚度（cm）。

由公式（4）可以看出，預(yù)制板條件下聚苯板的適宜鋪設(shè)厚度與地下水位埋深呈線性關(guān)系，聚苯板的適宜鋪設(shè)厚度隨著地下水位埋深的增大而逐漸減小。

采用河套灌區(qū)典型渠道實(shí)際工程中應(yīng)用的聚苯板鋪設(shè)厚度對(duì)公式（4）進(jìn)行驗(yàn)證。河套灌區(qū)目前采用聚苯板的渠道較普遍，本文調(diào)查了河套灌區(qū)永剛分干渠、楊家河干渠和西濟(jì)支渠3種不同地下水位的渠道采用的聚苯板鋪設(shè)厚度如表6所示。

表6 實(shí)際工程中應(yīng)用的聚苯板鋪設(shè)厚度

將公式（4）計(jì)算的結(jié)果與河套地區(qū)實(shí)際工程中應(yīng)用的聚苯板鋪設(shè)厚度進(jìn)行對(duì)比可知，理論計(jì)算的鋪設(shè)厚度與3條渠道實(shí)際鋪設(shè)的聚苯板厚度的相對(duì)誤差為1.17%～9.67%。說明該公式計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際工程中應(yīng)用情況較為吻合。在實(shí)際渠道工程施工中，為方便施工，在選取聚苯板的厚度時(shí)一般都取2 cm的整數(shù)倍，所以根據(jù)理論公式計(jì)算出來的結(jié)果均接近于實(shí)際情況。

公式（4）是根據(jù)河套地區(qū)特定的土質(zhì)和氣候條件經(jīng)過多重?cái)M合得出的理論公式，其適用范圍僅為內(nèi)蒙古河套地區(qū)，適用條件為預(yù)制混凝土板襯砌渠道下的保溫板厚度的理論計(jì)算。運(yùn)用該公式可以定性分析地下水位與鋪設(shè)保溫板厚度的關(guān)系，并為定量計(jì)算保溫板厚度時(shí)提供理論參考。

3 不同地下水位埋深原型渠道凍脹變化規(guī)律

3.1 原型渠道概況

南邊分干渠位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)境內(nèi)，為C20預(yù)制混凝土板襯砌梯型渠道，試驗(yàn)段鋪設(shè)4～8 cm厚度聚苯乙烯板，渠深=3.0 m，底寬=5.2 m，坡比=1∶1.5，觀測(cè)期最大凍深0.76 m，凍結(jié)指數(shù)=1 450（℃·d），觀測(cè)期為2013～2015年。

3.2 不同地下水位渠基凍脹率沿?cái)嗝娴姆植家?guī)律

3.2.1 渠道基土凍脹率理論公式

根據(jù)相關(guān)研究[6]，凍脹率與地下水位之間的關(guān)系為：

在特定的渠道環(huán)境條件下，得到不同地下水位條件下凍脹強(qiáng)度不均勻分布的計(jì)算公式如下：

3.2.2 不同地下水位渠基凍脹率沿?cái)嗝娴姆植家?guī)律

由于本試驗(yàn)中涉及地下水位在渠底之下和地下水位在渠底之上2種情形，所以在計(jì)算不同地下水位埋深渠道延坡面至渠頂各點(diǎn)的凍脹率分2種情形進(jìn)行計(jì)算。

1）當(dāng)?shù)叵滤宦裆?128，178，228和278 cm時(shí)：

①計(jì)算點(diǎn)位于地下水位下時(shí)，計(jì)算點(diǎn)至水位的距離()=300--0.55，凍脹率計(jì)算式為

②計(jì)算點(diǎn)位于地下水位上時(shí)，計(jì)算點(diǎn)至水位的距離()=-(300-0.55)，凍脹率計(jì)算式為

2）當(dāng)?shù)叵滤宦裆?328 cm時(shí)：

計(jì)算點(diǎn)均位于水位以上，計(jì)算點(diǎn)至水位的距離()=328-(300-0.55)，凍脹率計(jì)算式為

根據(jù)試驗(yàn)取得資料和公式（7）～（9）得到南邊分干渠不同地下水位條件下（1.28、1.78、2.28、2.78和3.28 m）渠道基土凍脹率沿坡面的變化過程線如圖6所示。由圖6可以看出，基土凍脹率分布與地下水位埋深有著直接的關(guān)系。當(dāng)?shù)叵滤坏陀谇讜r(shí)（地下水位埋深為3.28 m），渠道基土凍脹最大處位于渠坡腳處，并沿著坡面凍脹率逐漸減小。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇讜r(shí)，渠坡凍脹最大處位于渠坡下部1/3處，并且渠坡最大凍脹部位隨著地下水埋深減小而逐漸向上轉(zhuǎn)移。當(dāng)?shù)叵滤裆钶^淺時(shí)（地下水位為1.28 m），渠道發(fā)生最大凍脹部位位于渠坡中間部位。

3.3 不同地下水位渠基截面彎矩沿?cái)嗝娴姆植家?guī)律

在計(jì)算渠基截面彎矩時(shí)，將渠坡板視為簡(jiǎn)支梁進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算方法計(jì)算出渠道坡板各截面彎矩并簡(jiǎn)化得其沿?cái)嗝娴姆植家?guī)律。

其中

式中為渠道深度，cm；()為截面彎矩，（kN·m）；E為凍土彈性模量，根據(jù)相關(guān)研究成果，凍土層在冬季最低溫度時(shí)的彈性模量取3.8 MPa；為特定土質(zhì)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，取值同上。

公式（10）是以地下水位在襯砌底板以下為基礎(chǔ)得出的，本文中涉及地下水位位于渠底之下和渠底之上2種情形，因此在計(jì)算彎矩時(shí)需要分情況分別進(jìn)行計(jì)算。襯砌板受凍脹法向凍脹力分布計(jì)算公式為

在本文計(jì)算中，當(dāng)?shù)叵滤宦裆罡哂谇讜r(shí)，分段計(jì)算的渠坡板各點(diǎn)的截面彎矩。

由式（11）～式（13）計(jì)算出南邊分干渠不同地下水位埋深時(shí)渠坡板沿坡面的彎矩分布圖如圖7所示。

圖7 不同地下水位埋深渠坡板截面彎矩圖

由圖7可以看出，截面彎矩從渠道底部沿著渠坡面呈先增后減的拋物線型變化趨勢(shì)，渠道坡板最大彎矩出現(xiàn)在渠坡板的下部1/3～1/2處；地下水位埋深1.28 m時(shí)，彎矩值較大，隨著地下水位埋深的增大，最大彎矩逐漸減?。辉诘叵滤宦裆顝?.28 m降到1.78 m時(shí)，最大彎矩減小幅度最大，而從1.78 m降到3.28 m時(shí)，最大彎矩減小幅度較小，表明：當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇讜r(shí)，地下水位對(duì)渠坡板彎矩影響較大，地下水位埋深越淺，最大彎矩越大，對(duì)渠坡板凍脹破壞也越嚴(yán)重；當(dāng)?shù)叵滤坏陀谇讜r(shí)，對(duì)渠坡板彎矩影響及渠道破壞影響較小。

4 結(jié) 論

本文通過設(shè)置不同凍脹試驗(yàn)平臺(tái)，并結(jié)合原型渠道分析不同地下水位條件下基土凍脹量、土壤含水率、地溫等變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)?shù)叵滤幌鄬?duì)降低0.5 m后，削減凍脹率為71%；當(dāng)?shù)叵滤幌鄬?duì)降低1 m后，削減凍脹率達(dá)到83.8%，降低地下水位可以顯著減小基土凍脹量。計(jì)算出每降低1 cm地下水位，基土凍脹量可減小0.15 cm。

2）降低地下水位可以有效阻止凍結(jié)鋒面水分的遷移，減小土體中冰夾層的形成，從而降低了土體的凍脹變形。在凍結(jié)過程中土壤水分向上層發(fā)生了遷移，在消融過程中土壤水分向下層發(fā)生了遷移。隨著地下水埋深的增大，土壤水分遷移率逐漸減小。

3）渠道坡板最大彎矩出現(xiàn)在渠坡板的下部1/3～1/2處，并隨著地下水位埋深的增大，最大彎矩逐漸減小。地下水位埋深越淺，渠坡板最大彎矩越大，對(duì)渠坡板凍脹破壞也越嚴(yán)重。當(dāng)?shù)叵滤坏陀谇讜r(shí)，對(duì)渠坡板彎矩影響及渠道破壞影響較小。

4）地下水位實(shí)際下降和地面抬升2種條件下0～50 cm土壤水分都在減小，并且遷移量隨著深度的增加而增大，遷移率相差1.75%～4.46%，說明無論地面抬升還是地下水位下降，土壤水分運(yùn)移具有一致變化規(guī)律。

本文通過建立凍脹試驗(yàn)平臺(tái)并結(jié)合原型渠道，分析了不同地下水位條件下基土凍脹變形、基土含水率、地下水位、基土地溫等變化規(guī)律，推導(dǎo)出了河套地區(qū)特定的土質(zhì)和氣候條件下不同地下水位埋深時(shí)聚苯板適宜鋪設(shè)厚度的理論計(jì)算公式。該公式是經(jīng)過多重?cái)M合得出的理論公式，其適用范圍僅為內(nèi)蒙古河套地區(qū)，適用條件為鋪設(shè)預(yù)制混凝土板下的保溫板厚度計(jì)算。運(yùn)用該公式可以定性分析地下水位與鋪設(shè)保溫板厚度的關(guān)系，并為定量計(jì)算不同地下水位時(shí)保溫板鋪設(shè)厚度提供理論參考。本試驗(yàn)成果可為北方骨干渠道保溫防凍脹技術(shù)研究提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

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Law of frost heave of canal foundation and appropriate thickness of insulation board under different groundwater levels

Guo Fuqiang1,2, Shi Haibin1※, Cheng Manjin2, Gao Wenhui2

(1.010018,; 2.010060,)

In order to find out the difference of canal foundation frost heave in Hetao irrigation area under different underground water levels, and to understand the influence of the changes of groundwater level on soil moisture transfer and mechanical properties of canal foundation, the test was carried out by setting up a test platform for frost heave under different underground water levels. And combined with the prototype channel, the effect of different groundwater levels on frost heave of foundation soil covered with different thickness of polystyrene board was analyzed, the distribution law of frost heave rate and section bending moment along channel slope was described, and a theoretical formula for calculating the suitable thickness of polystyrene board at different underground water levels was presented. It is found that the frost heaving of base soil decreases by 0.15 cm when the groundwater level is reduced by 1 cm. When the groundwater level is reduced by 0.5-1.0 m, the frost heave rate is reduced by 71%-83.8%. The decline of groundwater level effectively prevents or delays the increase of capillary water in soil, reduces the soil moisture of 0-30 cm soil layer, effectively prevents the migration of the water of freezing front, reduces the formation of ice interlayer in soil, and reduces the frost heaving deformation of soil.The frost heaving damage parts of the channel change with the change of the groundwater level.Through the analysis of ground temperature monitoring data, this paper puts forward the lowest temperature under the condition of laying 2-10 cm polystyrene board, fits the relation between the thickness of insulation board and the lowest temperature under the board at different underground water levels, and calculates the laying thickness of polystyrene board under different groundwater levels when the negative temperature does not exist under the board, so as to explore a relation between thesuitable thickness for polystyrene board laying and groundwater depth.According to the theoretical formula, the variation rule of soil frost heave rate along the slope is proposed.When the groundwater level is lower than the bottom of the canal, the maximum frost heave of canal foundation soil is located at the foot of the slope of the canal, and the frost heave rate along the slope decreases gradually.When the groundwater level is higher than the bottom of the canal, the maximum frost heave of the slope is located at the 1/3 of the lower part of the slope, and the maximum frost heave of the slope is gradually transferred upward with the decrease of groundwater depth.When the groundwater depth is relatively shallow, the channel’s maximum frost heave is located at the middle part of the channel slope.The soil water content in 0-50 cm soil depth decreases under the 2 conditions of actual decrease of groundwater level and ground elevation.And the migration amount increases with the depth. Migration rate difference is 1.75%-4.46%.The results show that the soil water transport has the consistent change rule whether the ground is raised or the groundwater level drops.This study can provide scientific basis and technical support for the research of thermal insulation and anti-expansion technology in the northern seasonal frozen soil area.

groundwater; water levels; EPS; frost heavingtheory; section bending moment;moisture migration regular

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.013

S143; S278

A

1002-6819(2018)-19-0095-09

2018-03-23

2018-08-08

內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（NSK-2016-S9）

郭富強(qiáng)，男，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，工程師，博士生，主要從事節(jié)水灌溉理論與技術(shù)及渠道保溫防凍脹技術(shù)研究。 Email：guofu101@163.com

史海濱，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事節(jié)水灌溉理論與新技術(shù)應(yīng)用。Email：nmndshb@126.com

郭富強(qiáng)，史海濱，程滿金，高文慧. 不同地下水位下渠基凍脹規(guī)律與保溫板適宜厚度確定[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(19)：95－103. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.013 http://www.tcsae.org

Guo Fuqiang, Shi Haibin, Cheng Manjin, Gao Wenhui. Law of frost heave of canal foundation and appropriate thickness of insulation board under different groundwater levels[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(19): 95－103. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.19.013 http://www.tcsae.org