季節(jié)性凍土區(qū)模袋混凝土渠道凍脹特征及防凍脹技術(shù)

孫杰 郭彥芬 程滿金 霍軼珍 王俊

摘 要：為探明季節(jié)性凍土區(qū)模袋混凝土襯砌渠道凍脹特征，提出模袋混凝土渠道防凍脹技術(shù)，在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)模袋混凝土渠道開展了聚苯乙烯板防凍脹試驗(yàn)研究。通過(guò)原型渠道凍脹試驗(yàn)得出：在8 cm模袋混凝土基礎(chǔ)上分別增加4 cm和7 cm模袋混凝土后，陰坡下部1/3處最大凍脹量削減率分別為17.32%和39.55%，陽(yáng)坡下部1/3處最大凍脹量削減率分別為17.23%和41.23%;在8 cm模袋混凝土基礎(chǔ)上分別鋪設(shè)4 cm和12 cm聚苯乙烯板后，陰坡、陽(yáng)坡下部1/3處最大凍脹量削減率分別為51.7%、89.5%和48.7%、90.5%。8 cm模袋混凝土條件下鋪設(shè)12 cm聚苯乙烯板處理和15 cm模袋混凝土條件下鋪設(shè)6 cm聚苯乙烯板處理均無(wú)殘余變形，其他處理均出現(xiàn)不同程度的殘余變形（0.2～1.8 cm）。渠道邊坡下部1/3處的凍脹量最大，渠坡上部1/3處的凍脹量最小。

關(guān)鍵詞：渠道;模袋混凝土;凍脹變形;聚苯乙烯板;防凍脹技術(shù);季節(jié)性凍土區(qū);河套灌區(qū)

中圖分類號(hào)：S143;S278 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.031

引用格式：孫杰，郭彥芬，程滿金，等.季節(jié)性凍土區(qū)模袋混凝土渠道凍脹特征及防凍脹技術(shù)[J].人民黃河，2021，43（7）：160-164.

Abstract： In order to find out the frost heaving characteristics of bagged concrete canal in seasonal frozen soil area and put forward the anti-frost heaving technology of bagged concrete canal， the experiment of preventing frost heaving of putting polystyrene board was carried out in Hetao irrigation area of Inner Mongolia. According to the frost heaving test of prototype canal， after adding 4 cm and 7 cm to the 8 cm bagged concrete， the reduction rates of the maximum frost heaving amount at the bottom 1/3 of the shady slope are 17.32% and 39.55% respectively， the reduction rates of the maximum frost heaving amount at the bottom 1/3 of the sunny slope are 17.23% and 41.23% respectively. After laying 4 cm and 12 cm polystyrene board on the base of 8 cm bagged concrete， the reduction rates of the maximum frost heaving amount at 1/3 of shade slope and sunny slope are 51.7%， 89.5% and 48.7%， 90.5% respectively. The residual deformation of 0.2-1.8 cm is found in the other treatment， but the treatments of laying 12 cm polystyrene under 8cm bagged concrete and laying 6 cm polystyrene under 15 cm bagged concrete which have no residual deformities. The maximum frost heave amount is located at the lower 1/3 canal slope and the minimum frost heave amount is located at the upper 1/3 canal slope.

Key words： canal; bagged concrete; frost heave deformation; polystyrene board; anti-frost heaving technology; seasonal frozen soil area;Hetao irrigation area

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地勢(shì)平坦，土壤以輕質(zhì)壤土和粉質(zhì)黏土為主，屬中溫帶干旱氣候區(qū)，地處季節(jié)性凍土地區(qū)，冬季寒冷少雪，夏季炎熱少雨。渠道灌溉是河套灌區(qū)農(nóng)牧業(yè)灌溉的主要方式。近年來(lái)，模袋混凝土作為一種新型襯砌材料在港口航道、河道以及渠道的護(hù)坡與防滲工程中廣泛應(yīng)用[1-9]，在河套灌區(qū)骨干渠道襯砌工程中也得到了大面積推廣[10]。內(nèi)蒙古河套灌區(qū)渠道襯砌中應(yīng)用模袋混凝土厚度以8 cm、12 cm和15 cm為主，襯砌形式以預(yù)制U形槽、梯形斷面弧形渠底、梯形斷面弧形坡腳以及梯形斷面為主。目前內(nèi)蒙古河套灌區(qū)采用的模袋混凝土襯砌渠道均未采取防凍脹措施，針對(duì)凍脹問(wèn)題未開展深入研究[11-21]。模袋混凝土襯砌渠道在經(jīng)過(guò)多個(gè)凍融周期后，出現(xiàn)了不同程度的凍脹破壞等現(xiàn)象，渠道凍脹變形量較大。因此，本文針對(duì)目前河套灌區(qū)模袋混凝土襯砌渠道的凍脹問(wèn)題，通過(guò)建立原型渠道不同保溫處理試驗(yàn)段，引入聚苯乙烯板（以下簡(jiǎn)稱“聚苯板”）保溫防凍脹技術(shù)開展相關(guān)試驗(yàn)研究，探討模袋混凝土襯砌渠道防凍脹技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

楊家河干渠渠道為南北走向，水源為黃河水，多年平均年引水量為4.24億m3。楊家河干渠屬挖方渠道，渠道底寬16 m，頂寬24 m，渠深2.6 m，平均水深2.1 m，渠道邊坡系數(shù)為1∶1.5，設(shè)計(jì)流量為43 m3/s，渠底坡降為1/8 000。渠道所屬灌域?yàn)楹犹坠鄥^(qū)永濟(jì)灌域，地勢(shì)平坦，地面坡降為1/2 000～1/10 000，地處干旱地帶，凍結(jié)指數(shù)在600～1 200 ℃·d之間，凍深在0.8～1.3 m之間。每年11月中旬開始凍結(jié)，次年5月融通。試驗(yàn)區(qū)蒸發(fā)量大，降雨少，年平均氣溫7.7 ℃，無(wú)霜期160～180 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)段選擇在河套灌區(qū)楊家河干渠（樁號(hào)30+380—30+490），試驗(yàn)段長(zhǎng)110 m，試驗(yàn)段地下水位埋深為2.0～2.5 m。試驗(yàn)共設(shè)置11種不同保溫結(jié)構(gòu)形式斷面，每種處理試驗(yàn)段長(zhǎng)10 m。觀測(cè)內(nèi)容為渠坡凍脹量，觀測(cè)時(shí)間為2016年11月15日—2017年4月15日。保溫材料采用25 kg/m3聚苯板，其力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

在每個(gè)試驗(yàn)處理段的陰、陽(yáng)坡分別對(duì)稱布設(shè)凍脹變形觀測(cè)裝置，觀測(cè)點(diǎn)按照平行于渠坡均勻布設(shè)，間距為20 cm。凍脹量采用人工觀測(cè)，在渠頂埋設(shè)凍脹基準(zhǔn)樁，在基準(zhǔn)點(diǎn)安裝三腳架，在三腳架上安裝一根基尺，基尺平行于渠坡面，根據(jù)測(cè)定基尺與襯砌面板的距離換算出凍脹變形量。模袋混凝土渠道保溫防凍脹試驗(yàn)處理見(jiàn)表2。模袋混凝土渠道保溫防凍脹試驗(yàn)斷面示意見(jiàn)圖1。

通過(guò)開展不同模袋混凝土厚度條件下鋪設(shè)不同厚度聚苯板保溫試驗(yàn)研究，分析不同模袋混凝土條件下渠坡凍脹量變化特征，探求鋪設(shè)不同厚度聚苯板對(duì)渠坡凍脹量的影響效應(yīng)，為解決內(nèi)蒙古河套灌區(qū)模袋混凝土襯砌渠道凍脹問(wèn)題提供技術(shù)支撐。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同模袋混凝土處理凍脹量變化特征

2016—2017年度楊家河干渠8、12、15 cm模袋混凝土條件下鋪設(shè)不同厚度聚苯板處理陰坡和陽(yáng)坡渠坡下部1/3處凍脹量隨時(shí)間變化過(guò)程線見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，楊家河干渠3種厚度模袋混凝土處理后陰坡和陽(yáng)坡凍脹量具有相同的變化規(guī)律：渠道邊坡從11月底開始發(fā)生凍脹，隨著時(shí)間的推移，凍脹量逐漸增大，到2月中旬達(dá)到最大凍脹量，之后逐漸減小，到4月15日前后凍脹基本消除。隨著模袋混凝土厚度的增加，凍脹量逐漸減小，且陰坡的凍脹量大于陽(yáng)坡的凍脹量。8 cm模袋混凝土條件下，鋪設(shè)12 cm聚苯板的凍脹量隨時(shí)間變化過(guò)程線最為平緩，表明其防凍脹效果最為明顯;12 cm模袋混凝土條件下，鋪設(shè)6 cm和8 cm聚苯板的凍脹量隨時(shí)間變化差異不大，均可顯著降低基土凍脹量;15 cm模袋混凝土條件下，鋪設(shè)4 cm和6 cm聚苯板的凍脹量隨時(shí)間變化差異不大，均可顯著降低基土凍脹量。

2.2 模袋混凝土渠道應(yīng)用聚苯板的防凍脹效果

統(tǒng)計(jì)2016—2017年度楊家河干渠3個(gè)無(wú)保溫處理對(duì)比段陰（陽(yáng)）坡下部1/3處凍脹量特征值、削減量和削減率，見(jiàn)表3。

由表3可以看出，陰坡8 cm模袋混凝土渠坡下部1/3處最大凍脹量為112.0 mm，分別增加4 cm和7 cm模袋混凝土后，最大凍脹量削減量分別為19.4 mm和44.3 mm，削減率分別為17.32%和39.55%;陽(yáng)坡8 cm模袋混凝土渠坡下部1/3處最大凍脹量為97.5 mm，分別增加4 cm和7 cm模袋混凝土后，最大凍脹量削減量分別為16.8 mm和40.2 mm，削減率分別為17.23%和41.23%。

統(tǒng)計(jì)8 cm模袋混凝土條件下分別鋪設(shè)4、6、12 cm聚苯板處理渠坡下部1/3處最大凍脹量、削減量和削減率，見(jiàn)表4。

由表4可以看出，在陰坡8 cm模袋混凝土基礎(chǔ)上分別鋪設(shè)4 cm和12 cm聚苯板后，最大凍脹量削減量分別為57.9 mm和100.2 mm，削減率分別為51.7%和89.5%;在陽(yáng)坡8 cm模袋混凝土基礎(chǔ)上分別鋪設(shè)4 cm和12 cm聚苯板后，最大凍脹量削減量分別為47.5 mm和88.2 mm，削減率分別為48.7%和90.5%。通過(guò)表4與表3對(duì)比可知，在8 cm模袋混凝土基礎(chǔ)上鋪設(shè)聚苯板，該種方式的防凍脹效果顯著大于增加模袋混凝土厚度方式的?？梢?jiàn)，聚苯板應(yīng)用在模袋混凝土襯砌渠道上，具有較好的防凍脹效果。

2.3 模袋混凝土對(duì)渠坡凍脹量的影響效應(yīng)

將一個(gè)完整凍融期內(nèi)8、12、15 cm模袋混凝土無(wú)保溫處理渠坡下部1/3處最大凍脹量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)模袋混凝土厚度與最大凍脹量進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出楊家河干渠模袋混凝土厚度與最大凍脹量關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3;得出陰坡與陽(yáng)坡最大凍脹量隨模袋混凝土厚度變化的響應(yīng)關(guān)系，見(jiàn)式（1）和式（2）。

式中：X為模袋混凝土厚度，cm;Y為渠坡下部1/3處最大凍脹量，mm。

由圖3可知，模袋混凝土厚度與最大凍脹量呈線性關(guān)系，最大凍脹量隨模袋混凝土厚度的增加而呈遞減的趨勢(shì)。通過(guò)式（1）、式（2）可定量計(jì)算出河套灌區(qū)既定厚度模袋混凝土渠道凍脹變形量，為研究模袋混凝土渠道凍脹提供技術(shù)支撐。

2.4 不同處理渠坡殘余變形分布規(guī)律

殘余變形又稱不可恢復(fù)變形。結(jié)構(gòu)在荷載時(shí)產(chǎn)生變形，卸載后變形只能部分恢復(fù)，不能恢復(fù)的那一部分變形就是殘余變形。本試驗(yàn)對(duì)凍融期內(nèi)試驗(yàn)渠段殘余變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制出陰坡和陽(yáng)坡不同處理的殘余變形分布圖，見(jiàn)圖4。

通過(guò)圖4可以看出，8 cm模袋混凝土條件下，陰坡和陽(yáng)坡對(duì)比段殘余變形最大，達(dá)到1.8 cm和1.6 cm，而鋪設(shè)12 cm聚苯板處理無(wú)殘余變形;12 cm模袋混凝土條件下，陰坡和陽(yáng)坡對(duì)比段殘余變形分別為1.6 cm和1.5 cm，鋪設(shè)6～8 cm聚苯板處理陰坡和陽(yáng)坡殘余變形分別為1.0～0.6 cm和0.6～0.4 cm;15 cm模袋混凝土條件下，陰坡和陽(yáng)坡對(duì)比段殘余變形分別為1.2 cm和1.0 cm，而鋪設(shè)4 cm聚苯板處理陰坡和陽(yáng)坡殘余變形分別為0.4 cm和0.2 cm，鋪設(shè)6 cm聚苯板處理無(wú)殘余變形。

2.5 模袋混凝土襯砌渠道不同部位凍脹量分布特征

統(tǒng)計(jì)2016—2017年度楊家河干渠不同處理渠坡上部1/3處、渠坡1/2處和渠坡下部1/3處凍融期最大凍脹量，見(jiàn)表5。

繪制8 cm、12 cm和15 cm模袋混凝土條件下各個(gè)處理陽(yáng)坡和陰坡上部1/3處、渠坡1/2處和下部1/3處3個(gè)不同部位最大凍脹量分布圖，見(jiàn)圖5。

由圖5可以看出，渠坡下部1/3處的凍脹量最大，渠坡1/2處凍脹量次之，渠坡上部1/3處的凍脹量最小。從3個(gè)不同位置的凍脹量來(lái)看，無(wú)保溫處理時(shí)上部1/3處、渠坡1/2處和下部1/3處的最大凍脹量差異最大，隨著聚苯板厚度的增加，三者的差異越來(lái)越小，說(shuō)明鋪設(shè)聚苯板可以減小渠坡不同部位的凍脹差異，從而可以避免渠道因不均勻凍脹而產(chǎn)生的凍脹破壞。

3 結(jié) 論

通過(guò)開展模袋混凝土襯砌渠道不同厚度聚苯板的保溫防凍脹試驗(yàn)，得出以下主要結(jié)論。

（1）8 cm模袋混凝土條件下，鋪設(shè)12 cm聚苯板防凍脹效果最為明顯;12 cm模袋混凝土條件下，鋪設(shè)6 cm和8 cm聚苯板的凍脹量無(wú)明顯差異;15 cm模袋混凝土條件下，鋪設(shè)6 cm聚苯板處理防凍脹效果最好，鋪設(shè)4 cm和6 cm保溫板的凍脹量無(wú)明顯差異。

（2）在8 cm模袋混凝土基礎(chǔ)上分別增加4、7 cm模袋混凝土后，陰坡、陽(yáng)坡下部1/3處最大凍脹量削減率分別為17.32%、39.55%和17.23%、41.23%;而分別鋪設(shè)4、12 cm聚苯板后，陰坡、陽(yáng)坡下部1/3處最大凍脹量削減率分別達(dá)到51.7%、89.5%和48.7%、90.5%。聚苯板應(yīng)用在模袋混凝土襯砌渠道上，其防凍脹效果極為顯著。

（3）通過(guò)模袋混凝土厚度與最大凍脹量數(shù)據(jù)擬合可知，最大凍脹量隨模袋混凝土厚度的增加呈遞減的變化規(guī)律。通過(guò)擬合的線性關(guān)系可定量計(jì)算河套灌區(qū)既定厚度模袋混凝土渠道凍脹變形量，為研究模袋混凝土渠道凍脹提供技術(shù)支撐。

（4）8 cm模袋混凝土條件下鋪設(shè)12 cm聚苯板處理和15 cm模袋混凝土條件下鋪設(shè)6 cm聚苯板處理均無(wú)殘余變形，其他處理均出現(xiàn)不同程度的殘余變形，殘余變形量為0.2～1.8 cm。

（5）由渠坡不同部位的凍脹分布可知，渠坡下部1/3處的凍脹量最大，渠坡1/2處凍脹量次之，渠坡上部1/3處的凍脹量最小。鋪設(shè)聚苯板可以減小渠坡不同部位的凍脹差異，從而避免渠道因不均勻凍脹而產(chǎn)生的凍脹破壞。

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【責(zé)任編輯 許立新】