渠道襯砌板地溫監(jiān)測與蓄水保溫技術(shù)研究

劉廣輝，范繼友，任澤儉

（南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟南250109）

1 渠道地溫觀測設(shè)施布置情況

1.1 明渠段襯砌渠道概況

山東南水北調(diào)濟東明渠段工程呈東西走向，總長111.26 km，為沿小清河左岸新建明渠，混凝土全面斷襯砌段長76.685 km，渠底寬9.1～13.5 m，渠道邊坡內(nèi)坡1∶2.25，外坡1∶2.0。工程設(shè)計流量50 m3/s，加大流量60 m3/s。選擇樁號0-950～38+868段渠道進行襯砌板地溫監(jiān)測和蓄水保溫試驗研究，該段渠道底寬13.5 m，在距渠底4.5 m高處的渠口兩側(cè)設(shè)戧臺，戧臺寬0.5 m，戧臺以下渠道襯砌邊坡1∶2.25，設(shè)計水深3.0 m，輸水渠道為全斷面混凝土襯砌梯形渠道，渠道襯砌采用C20W8F200素混凝土。

渠底采用中粗砂反濾盲溝+透水管逆止排水防揚壓，縱向伸縮縫沿輸水渠方向布置，橫向伸縮縫垂直于輸水渠軸線布置，長度與輸水渠橫斷面輪廓相同，橫向伸縮縫每隔3.5 m設(shè)置一條，渠坡每隔28 m設(shè)一道橫向通縫。渠坡結(jié)構(gòu)型式有兩種：襯砌型式I為渠坡板下?lián)Q填碎石、中粗砂墊層防凍脹；襯砌型式II為渠坡板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜防滲（兩布一膜）、膜下鋪設(shè)聚苯乙烯泡沫板防凍脹。

1.2 渠道地溫監(jiān)測儀器的埋設(shè)位置

在渠道樁號12+000（襯砌型式I）、22+820（襯砌型式II）、38+000（襯砌型式II）斷面分別布設(shè)安裝了地溫監(jiān)測儀器。

渠道地溫監(jiān)測儀器采用銅電阻溫度計，在渠道襯砌板以下，分兩層布設(shè)。按照不同的渠坡結(jié)構(gòu)型式，地溫監(jiān)測儀器的具體埋設(shè)位置也有所差別，在垂直襯砌板的方向上的埋設(shè)深度不同，如圖1所示。

圖1 渠道地溫監(jiān)測儀器布置圖

1.3 渠道地溫監(jiān)測儀器的布設(shè)數(shù)量及埋設(shè)方式

對渠坡結(jié)構(gòu)型式I，在砂石墊層以下5 cm和25 cm處各布置一層。在渠道左邊坡上、下層上分別布置4個溫度計，右邊坡相同。底部上、下層分別布置3個溫度計。全斷面共計22個溫度計。

對渠坡結(jié)構(gòu)型式II，地溫監(jiān)測儀器有兩種埋設(shè)方式：一種是在襯砌板和泡沫板之間布置一層，在保溫板下部5 cm處布置一層；另一種是在泡沫保溫板以下5 cm和25 cm處各布置一層。

2 渠道地溫現(xiàn)場監(jiān)測及結(jié)果分析

根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報，2013年1月13日以后氣溫將回升，為獲取當(dāng)時的渠道地溫最低值，2013年1月13～14日，對樁號12+000、樁號22+820、樁號38+000三個斷面分別進行了渠道地溫監(jiān)測。

2.1 地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計及曲線圖

地溫監(jiān)測完成后，對監(jiān)測的數(shù)據(jù)成果進行整理分析，形成了三個斷面的渠道地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總結(jié)果，見表1。繪制渠道地溫曲線圖，如圖2所示。

表1 渠道地溫觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表℃

圖2 渠道地溫曲線圖

2.2 渠道地溫監(jiān)測結(jié)果的初步分析

樁號22+820的上層溫度計布置在泡沫保溫板以上，該層溫度計所測的數(shù)據(jù)不能反映渠道襯砌板以下基土層的溫度，該層溫度計數(shù)據(jù)與其他地溫監(jiān)測數(shù)據(jù)無可比性，排除這一組數(shù)據(jù)，其余絕大多數(shù)地溫監(jiān)測點的地溫均在0℃以上，個別地溫在0℃以下，最低監(jiān)測數(shù)據(jù)也只有-0.81℃，且發(fā)生在渠道頂部戧臺處。

由于渠道襯砌板的凍脹主要是由于地基土的凍脹引起的，渠道地基土的地溫絕大多數(shù)在0℃以上，因此地基土就不會發(fā)生凍脹現(xiàn)象，襯砌板也不會出現(xiàn)凍脹破壞。經(jīng)對渠道襯砌板現(xiàn)場實地觀察，也未發(fā)現(xiàn)襯砌板存在凍脹破壞的情況，與地溫監(jiān)測結(jié)果相互吻合。

2.3 蓄水保溫措施對渠道地溫的作用及影響

渠道底部地溫監(jiān)測情況表明：樁號12+000渠道底部的地溫與樁號22+820、樁號38+000渠道底部的地溫相比，樁號12+000渠道的底部地溫最高（最高值達4.5℃），且高于樁號12+000其他部位的地溫；22+820處渠道底部的地溫與樁號12+000相比較低，但高于樁號38+000；樁號38+000的渠道底部的地溫最低（最低值為-0.6℃）。引起以上地溫差異的主要因素是渠道蓄水時間和蓄水深度。樁號12+000渠道早在2012年11月份就已開始蓄水，蓄水深度約0.8～1.0 m；樁號22+820渠道于2012年12月底才開始蓄水，蓄水深度約0.1～0.2 m；樁號38+000渠道內(nèi)沒有蓄水。由此可見，渠道蓄水既能有效避免水位以下渠道地溫的散失，又能防止嚴(yán)冬季節(jié)寒冷氣流的侵襲，有利于渠道的防凍脹破壞。

2.4 渠道左坡與右坡地溫比較分析

渠道左右兩邊坡地溫的監(jiān)測結(jié)果表明：兩者地溫沒有明顯差別，主要是采取了相應(yīng)工程措施，加強了右坡的保溫措施，如在樁號12+000斷面，左坡的碎石墊層厚度為50 m m，而右坡的碎石墊層厚度加大為130 m m；在樁號22+820斷面、樁號38+000斷面，左坡的保溫板厚度為20 m m，而右坡的保溫板厚度加大為40 m m。這一措施縮小了左右坡地溫差，遏制住了地溫差增大的趨勢。經(jīng)觀察左坡的積雪融化較快，主要是陽面日照相對較強、日照時間相對較長所致，并非陽面地溫高造成的。

2.5 渠道襯砌戧臺處地溫分析

地溫監(jiān)測結(jié)果表明：渠道兩側(cè)襯砌板頂部戧臺處的地溫較低，尤其和渠坡地溫比較，這一差別更為明顯，主要是該部分襯砌板緊靠其外側(cè)土壤的凍土層，受其影響和作用，導(dǎo)致其地溫偏低。在發(fā)生極端嚴(yán)寒天氣的情況下，戧臺處很可能是發(fā)生渠道襯砌板凍脹破壞的主要部位，由于水位線影響，如果僅采取蓄水保溫措施，不能起到保溫作用。

2.6 樁號22+820上、下層溫差的分析

由樁號22+820監(jiān)測點觀測到的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，上層地溫溫度最低。之所以該層溫度監(jiān)測點的地溫最低（絕大多數(shù)監(jiān)測點溫度均在0℃以下，最低值為-2.7℃），是由于溫度計處于保溫板的上部，所測溫度不是保溫板下的基土地溫，而下層監(jiān)測點的地溫才能反映基土地溫的實際情況。下層基土的地溫絕大多數(shù)在0℃以上，最高值達3.3℃，因此不會發(fā)生襯砌板凍脹破壞的現(xiàn)象。該斷面上下層溫差平均為2.99℃，最大差值達5.4℃，泡沫保溫板的厚度僅有20 m m和40 m m，兩層溫度計距離如此之近，而溫差卻如此之大，充分證明泡沫保溫板的保溫效果是顯著的。而左坡溫差平均為2.27℃，右坡的溫差平均值為3.70℃，左坡的保溫板厚度僅為20 mm，右坡的保溫板厚度為40 mm，說明保溫板的厚度對保溫效果會產(chǎn)生明顯的影響，見表2。

表2 樁號22+820地溫溫差分析表℃

2.7 樁號12+000、38+000上下層溫差的分析

樁號12+000的溫度計埋設(shè)在砂礫石墊層下部深5 cm和25 cm處，樁號38+000的溫度計埋設(shè)在保溫板下部深5 cm和25 cm處。監(jiān)測結(jié)果顯示，下層溫度絕大多數(shù)都高于上層溫度，即基土地溫越往下越高。樁號12+000上下層溫差的平均值為1.53℃，樁號38+000上下層溫差的平均值為0.83℃，產(chǎn)生差別的原因在于樁號38+000在襯砌板下鋪設(shè)保溫板保溫，樁號12+000在襯砌板下鋪設(shè)的是砂礫石墊層，泡沫板的保溫作用相對更好，基土上層溫度散失較少，因此樁號38+000的上下層溫差較小。由此可見泡沫板在渠道襯砌的運用中有較好的保溫效果（見表3：樁號12+000地溫溫差分析表，表4：樁號38+000地溫溫差分析表）。

表3 樁號12+000地溫溫差分析表℃

表4 樁號38+000地溫溫差分析表℃

3 建議與結(jié)論

1）襯砌渠道戧臺部位的管理保護。渠道襯砌板戧臺處的地溫較低，在工程運行后，輸水位至戧臺高差為1.5 m，戧臺部位接近動態(tài)輸水位，該部位會經(jīng)常處于濕潤狀態(tài)，因此在冬季，應(yīng)對戧臺部位加強巡查和管理。

2）蓄水保溫措施效果的監(jiān)測和評價需進一步統(tǒng)計和完善。本次對地溫監(jiān)測結(jié)果的初步分析，是根據(jù)2013年1月13～14日的一次監(jiān)測資料作出的，數(shù)據(jù)還不夠充分。在以后的運行管理中要進一步觀測統(tǒng)計，結(jié)合工程運行情況，制定科學(xué)的工程管理和工程運行的方法。

3）增加蓄水保溫措施的必要性。由明渠段渠道地溫監(jiān)測結(jié)果可見，蓄水保溫是有效防止渠道襯砌板凍脹、凍融的重要工程技術(shù)措施。蓄水保溫措施對防止襯砌渠道在輸水位以下的凍脹、凍融破壞是有效的，在工程運行管理、建設(shè)管理中應(yīng)推廣應(yīng)用。

4）對跨冬季施工的渠道襯砌工程，應(yīng)制定越冬施工計劃，對襯砌渠道工程及時蓄水保溫，蓄水位應(yīng)接近渠道設(shè)計水位。增加襯砌渠道施工中的蓄水保溫措施對渠道襯砌施工減少投資、提高質(zhì)量具有較大意義。