高寒地區(qū)輸水渠道防凍優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

任弘宇， 王 灝

(青海九○六工程勘察設(shè)計(jì)院,青海 西寧 810001)

高寒地區(qū)土地在冬季長期處于冰凍狀態(tài)，輸水渠道受到低溫的影響出現(xiàn)破裂，襯砌遭到破壞的現(xiàn)象經(jīng)常遇到，使得渠道在輸水過程造成淡水資源的大量流失，嚴(yán)重浪費(fèi)水資源，因此，加強(qiáng)高寒地區(qū)輸水渠道防凍研究，了解其凍脹規(guī)律，進(jìn)行合適的渠道防凍措施意義重大。

隨著輸水渠道凍脹破壞的出現(xiàn)，國內(nèi)外眾多學(xué)者對于凍土破壞的研究逐漸增加，凍土學(xué)這一學(xué)科也得到快速的發(fā)展。國外很多國家使用鋼筋混凝土來代替普通的混凝土增加渠道的抗凍性能，但是造價(jià)較大。考慮到材料熱脹冷縮，我國采用可以允許一定的凍脹移動(dòng)量的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工程施工，得到一定推廣[1]。但是對于渠道凍脹規(guī)律和使用防凍材料或者水工設(shè)施等方面的研究依然是研究的方向。吳紫汪和馬巍等人[2]對寒冷地區(qū)凍土的蠕變特性和抗凍強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)研究，為后續(xù)研究提供參考。李寧[3]在前人的理論基礎(chǔ)上，提出了考慮土骨架與冰粒之間相互作用的有效應(yīng)力機(jī)理。沙際德等人[4]采用大量物理試驗(yàn)對材料的影響進(jìn)行研究，為凍土本構(gòu)模型和凍土建筑物的強(qiáng)度準(zhǔn)則提供了依據(jù)。徐紹新[5]對寒冷季節(jié)時(shí)凍土建筑物實(shí)際承受凍脹力的主要影響因素和影響范圍進(jìn)行了相關(guān)研究。李安國等人[6]在進(jìn)行了大量模擬計(jì)算和渠道實(shí)際觀測，對渠道溫度變化進(jìn)行了研究，提出了渠道凍深的計(jì)算方法。陳億忠[7]、姚東[8]、曾楚武[9]等人對渠道滲漏和設(shè)計(jì)過程中需要注意的問題進(jìn)行了相關(guān)研究。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，通過物理試驗(yàn)對高寒地區(qū)輸水渠道在寒冷季節(jié)時(shí)不同保溫層厚度作用下的溫度變化規(guī)律進(jìn)行研究，并提出最佳保溫層厚度。

1 試驗(yàn)布置

本文所研究輸水渠道所處環(huán)境常年溫度變化較大，屬于大陸性季風(fēng)氣候，夏季溫度較高，春秋季節(jié)相對較短，冬季嚴(yán)寒且時(shí)間較長，寒暑溫差較大。平均每年的11月到第二年的3月溫度是零度以下，冬季最冷氣溫為-38.6℃、年平均氣溫為4.3℃。通過對該地近40 a氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)歷年出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象的平均時(shí)間為128 d，其中凍結(jié)現(xiàn)象最長持續(xù)時(shí)間可達(dá)149 d，最短時(shí)間依然可持續(xù)108 d，時(shí)間相對較長。

為研究保溫層厚度對渠道保溫效果的影響，設(shè)置6個(gè)研究工況，1個(gè)無保溫層處理作為初始對比工況，5個(gè)不同的保溫層厚度分別為：2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm。對埋深分別為：0、20 cm、40 cm、80 cm、120 cm、160 cm、200 cm不同深度的溫度進(jìn)行監(jiān)測，具體布置見圖1。試驗(yàn)采用的保溫材料為聚氨酯保溫材料(見圖2a)。

試驗(yàn)土質(zhì)以黏土為主，為了避免側(cè)向邊壁凍結(jié)的影響，在兩側(cè)使用6 cm厚的保溫板進(jìn)行封閉，保證實(shí)驗(yàn)的精確度。使用18B20溫度傳感器圖2b進(jìn)行地溫的監(jiān)測，該儀器的觀測精度誤差為±0.5℃。土體凍脹量以及凍土分層使用水準(zhǔn)儀圖2c進(jìn)行監(jiān)測，3 d監(jiān)測1次，保證數(shù)據(jù)可以及時(shí)有效進(jìn)行采集。

在進(jìn)行試驗(yàn)前對試驗(yàn)區(qū)的基土含水率進(jìn)行觀察，封凍前在達(dá)到最大凍深前，使用人工取樣的方法進(jìn)行取樣，對不同深度分層的土質(zhì)含水量進(jìn)行分析。邊坡凍脹量采用凍脹儀(圖2d)進(jìn)行監(jiān)測，以預(yù)設(shè)的固定樁作為基點(diǎn)，在基點(diǎn)位置安裝穩(wěn)定作用的三腳架和基尺，從基尺處引基線至整個(gè)邊坡面，然后使用尺，測量引出的基線到渠道兩側(cè)襯砌面板的垂直距離，并將測量的數(shù)值作為基值，進(jìn)行每次凍脹量的計(jì)算。

圖1 試驗(yàn)測點(diǎn)布置示意

a 保溫板材料

b 溫度傳感器

c 水準(zhǔn)儀

d 凍脹儀探頭

2 結(jié)果分析

2.1 土壤含水率分析

在進(jìn)行試驗(yàn)之前對土壤含水率進(jìn)行基礎(chǔ)檢測，分別選取冰凍前和最大凍深兩個(gè)時(shí)刻土壤內(nèi)含水率的分布情況進(jìn)行分析(見圖3)。

圖3 不同時(shí)刻下層土體含水率示意

根據(jù)圖3可知，在經(jīng)歷了一個(gè)冬季后土體內(nèi)的含水率發(fā)生了變化幅度較大，因?yàn)橄聦油馏w水分在溫度變化時(shí)會向凍結(jié)鋒面移動(dòng)，形成冰夾層進(jìn)而導(dǎo)致該位置的土體體積變大，土體發(fā)生凍脹。在冰凍前土體的含水率深度相對較穩(wěn)定，分布在18.8%～25.8%之間，含水率均值為21.3%。經(jīng)歷凍脹影響，土體的含水率隨著深度的增加先增加后減小最后趨于穩(wěn)定，分布范圍在2.8%～37.7%之間，含水率均值為29.2%。

不同位置的下層土層含水率見表1。最大凍深時(shí)地面的含水率最小，大小為2.8%；在40 cm深度時(shí)土體含水率最大，大小為37.7%；隨后隨著深度變化逐漸減小，在1.2 m深度時(shí)降到21.9%，然后隨著深度的增加趨于不變，最終穩(wěn)定在22.3%。

表1 不同時(shí)刻各土層含水率 %

2.2 溫度分析

保溫板厚度分別為：0、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm 6種工況下不同深度的平均溫度見表2。

表2 不同深度平均低溫 ℃

根據(jù)表2可知，整體隨著測點(diǎn)深度的增加，監(jiān)測點(diǎn)土體的溫度平均值逐漸升高，這是由于在地表溫度接近大氣溫度，隨著深度的增加土層隔熱效果逐漸體現(xiàn)。但是，實(shí)際中土層的隔熱效果不一定滿足需要,會出現(xiàn)凍脹破壞，因此,需要設(shè)置保溫層。在保溫層為2 cm時(shí)，地表溫度為-2.5℃，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保溫層厚度較厚時(shí)地表溫度明顯降低。因?yàn)楸貙雍穸容^薄時(shí)下層的溫度可能傳遞地面，保溫層溫度較厚時(shí)地下土體的溫度無法傳遞到地面，地面溫度與大氣溫度接近。隨著保溫層厚度的增加，同一深度內(nèi)地下土體的溫度逐漸升高，說明保溫板厚度對地下土體溫度的分布有影響。

對不同保溫層厚度在不同深度位置對土體溫度提高的幅度進(jìn)行分析(見圖4)。

圖4 不同厚度保溫板平均提高溫度曲線

根據(jù)圖4可知，在地面保溫層厚度為2 cm時(shí)地面溫度有提升，因?yàn)楸貙雍穸容^薄，有溫度從地下傳遞到地面。當(dāng)保溫層厚度較大時(shí)，地下溫度無法傳遞到地面使得地面溫度降低，比沒有保溫層時(shí)地面的溫度還低，同時(shí)也說明了保溫層厚度對土體內(nèi)部溫度的保護(hù)作用。隨著保溫層厚度的增加，地下土體溫度增加的幅度越來越大，同時(shí)土體的深度越靠近地面，增加的幅度就越明顯。這是因?yàn)榭拷孛鏁r(shí)土體溫度太低，保溫層的作用比較明顯；隨著深度的增加，土體溫度越來越高，同時(shí)距離保溫層的距離越來越遠(yuǎn)，作用相對就沒有靠近地面時(shí)增加的幅度大。

2.3 凍結(jié)深度分析

對不同保溫層厚度情況下，土體內(nèi)的最大凍結(jié)深度進(jìn)行分析(見圖5)。

圖5 不同保溫層厚度最大凍結(jié)深度變化曲線

根據(jù)圖5可知，隨著保溫層厚度的增加，土體的最大凍結(jié)深度先逐漸減小然后趨于穩(wěn)定。保溫層厚度為0、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm時(shí)對應(yīng)的凍結(jié)深度分別為：125 cm、60 cm、8 cm、0、0、0；凍結(jié)深度的消減率分別為：0、52%、93.6%、100%、100%、100%。

2.4 凍脹量分析

對保溫層厚度是0、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm時(shí)，土體的最大凍脹量，在長達(dá)141 d的觀測周期內(nèi)隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析其變化過程(見圖6)。

圖6 不同保溫板厚度最大凍脹量變化曲線

根據(jù)圖6可知，隨著時(shí)間的增加，土體的最大凍脹量出現(xiàn)先增加后逐漸減小的變化趨勢。不同保溫層厚度土體張量明顯有區(qū)別。隨著保溫層厚度的增加，凍脹出現(xiàn)時(shí)間逐漸靠后，消失時(shí)間逐漸提前。保溫層厚度為0、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm時(shí)，出現(xiàn)凍脹的時(shí)間分別為：第4 d、第29 d、第60 d、沒有凍脹、沒有凍脹、沒有凍脹；凍脹量消失的時(shí)間分別為：第141 d、第128 d、第115 d、第0 d、第0 d、第0 d；最大凍脹量分別為：156 mm、86 mm、9 mm、0、0、0；保溫層厚度分別為2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm時(shí),對土體凍脹量的消減率分別為：44.9%、94.2%、100%、100%、100%。

3 結(jié)語

本文對高寒地區(qū)輸水渠道內(nèi)保護(hù)層厚度對土體的影響進(jìn)行了研究，分別從土體含水率、土體溫度、凍結(jié)深度和凍脹量進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

1) 冰凍前土體含水率比較穩(wěn)定，出現(xiàn)冰凍后土體含水率發(fā)生變化，最大含水率出現(xiàn)在地下40 cm位置處。

2) 隨著保溫層厚度的增加，同一深度內(nèi)地下土體的溫度逐漸升高；保溫板對土體提高的溫度逐漸增大，且接近地面效果越明顯。

3) 隨著保溫層厚度的增加，土體的最大凍結(jié)深度先逐漸減小然后趨于穩(wěn)定。保溫層厚度為：2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm時(shí)，凍結(jié)深度的消減率分別為：52%、93.6%、100%、100%、100%。

4) 隨著保溫層厚度的增加，凍脹出現(xiàn)時(shí)間逐漸靠后，結(jié)束時(shí)間逐漸提前。保溫層厚度是2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm時(shí)，對土體凍脹量的消減率分別為：44.9%、94.2%、100%、100%、100%。

5) 從節(jié)省材料、凍結(jié)深度、凍脹量、土體溫度等方面綜合考慮，保溫層厚度選擇6cm為最佳方式。