渠道襯砌結(jié)構(gòu)保溫板施工缺陷對(duì)抗凍脹性能影響的試驗(yàn)研究

孫黎強(qiáng)

(山東省濱州市引黃灌溉服務(wù)中心,山東 濱州 256600)

在北方季凍區(qū)，由于冬季凍結(jié)期的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，氣溫較低，輸水渠道的渠基土在長(zhǎng)期低溫作用下極容易產(chǎn)生凍脹。我國(guó)季節(jié)性凍土分布范圍約占全國(guó)國(guó)土面積的54%，而東北和西北地區(qū)每年有將近1/4的時(shí)間存在季節(jié)性凍融現(xiàn)象，輸水渠道和襯砌結(jié)構(gòu)也會(huì)因此產(chǎn)生不同程度的凍脹破壞，這不僅會(huì)在渠道輸水過(guò)程中浪費(fèi)大量寶貴的水資源，同時(shí)也會(huì)造成渠道的滲漏破壞[1]。為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和工程界提出諸多輸水渠道防凍脹思路和工程技術(shù)措施[2]。目前，采用最多也最為有效的措施是在渠道襯砌板下方鋪設(shè)保溫板抗凍脹。保溫板一般具有質(zhì)量輕、耐壓和保溫等諸多優(yōu)良性能[3]。保溫板的類型比較多，其中造價(jià)較低、使用最廣泛的是聚苯乙烯泡沫板。目前，針對(duì)聚苯乙烯保溫板的抗凍脹性能研究一般均針對(duì)完整的保溫板展開，但是在具體的工程實(shí)踐中，由于安裝、運(yùn)行中的諸多因素的影響，特別是施工過(guò)程中的固定和踩踏，往往會(huì)出現(xiàn)以減薄為主要表現(xiàn)形式的缺陷[4]。造成保溫效果顯著下降，并影響到局部防凍脹效果?；诖耍舜窝芯客ㄟ^(guò)室內(nèi)物理模型試驗(yàn)的方式，探討保溫板缺陷對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)抗凍脹性能的影響，以便為工程施工和維護(hù)提供有益的支持和借鑒。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置和相關(guān)設(shè)備

此次試驗(yàn)通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方式進(jìn)行，結(jié)合室內(nèi)場(chǎng)地和試驗(yàn)要求，采用長(zhǎng)4.5m、寬3.0m、高1.5m的模型試驗(yàn)箱。模型試驗(yàn)箱的底層主要由三層構(gòu)成，第一層為加熱板層，主要由直徑2cm的銅管彎曲鋪成；第二層下部為5cm厚的砂墊層，上部為無(wú)紡布；第三層為補(bǔ)水層。先將彎曲的塑料管均勻鋪設(shè)，并在其周圍鋪上粒徑5cm左右的卵石，最后利用無(wú)紡布將塑料管覆蓋。上述箱底結(jié)構(gòu)的主要作用是模擬輸水渠道在自然工況下的單向凍結(jié)和融化環(huán)境條件[5]。試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括DT615型數(shù)據(jù)采集儀，PT100溫度傳感器、WDL位移傳感器等，主要用于試驗(yàn)過(guò)程中渠基土的凍脹量和溫度測(cè)量。

進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，首先需要確定相關(guān)的模型比尺。綜合考慮試驗(yàn)箱的尺寸和實(shí)際模型尺寸，模型的幾何比尺確定為1∶4；根據(jù)實(shí)際工程的凍結(jié)條件以及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)能夠提供的溫度范圍，將模型的溫度比尺確定為1∶1，時(shí)間比尺確定為1∶16[6]。試驗(yàn)所用的土體來(lái)自于工程現(xiàn)場(chǎng)，并按照水利部的相關(guān)要求對(duì)其主要力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，其土壤類型為含沙低液限粉土，土粒比重為2.65g/cm3，填土控制干密度為1.54g/cm3，最大干密度為1.67g/cm3，最優(yōu)含水率為13.2%。試驗(yàn)用保溫材料為聚苯乙烯泡沫板，按照幾何比尺換算，其厚度為2cm。

1.2 模型制作

結(jié)合北方寒區(qū)的氣候特征，試驗(yàn)中將地表溫度控制在-15～2℃，試驗(yàn)的環(huán)境溫度控制在-20～5℃，該溫度控制方案可以保證試驗(yàn)中的土體溫度和工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況基本一致[7]。

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鬟^(guò)程中，首先在試驗(yàn)箱內(nèi)填筑和夯實(shí)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)取得的土樣，并將位移和溫度傳感器按照預(yù)設(shè)位置埋設(shè)到相應(yīng)的部位。然后，按照背景工程渠道的幾何尺寸和模型比尺，在土體上開挖出梯形渠道，在渠坡部位鋪設(shè)聚苯乙烯保溫板，并在其上部鋪設(shè)混凝土襯砌板。在鋪設(shè)完工后靜置48h，然后對(duì)試驗(yàn)箱進(jìn)行飽水處理，以達(dá)到和野外環(huán)境相似的效果；保持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的溫度恒定，在土體內(nèi)部溫度達(dá)到8℃左右時(shí)，準(zhǔn)備開始降溫處理。

1.3 試驗(yàn)方法

為了模擬冬季輸水渠道基土凍脹情況，試驗(yàn)設(shè)計(jì)降溫和恒低溫兩個(gè)試驗(yàn)階段[8]。其中，降溫階段歷時(shí)68h，環(huán)境溫度由8℃，逐步降低至-20℃；恒低溫階段持續(xù)142h，環(huán)境溫度維持-20℃不變，試驗(yàn)總歷時(shí)為210h。在試驗(yàn)開始降溫之前，需要對(duì)各種試驗(yàn)儀器進(jìn)行仔細(xì)檢查，保證試驗(yàn)?zāi)軌虺掷m(xù)不間斷進(jìn)行。在試驗(yàn)中要做好溫度監(jiān)控工作和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄工作。

1.4 試驗(yàn)方案

結(jié)合相關(guān)研究成果，研究中選擇三個(gè)影響凍脹量的保溫板缺陷因素，分別為保溫板缺陷位置，保溫板減薄深度以及保溫板減薄面積。其中，缺陷位置設(shè)置靠近渠坡頂部1/3部位(位置1)、渠坡中部(位置2)以及靠近渠坡底部1/3部位(位置3)；保溫板減薄深度設(shè)置0.5、1.0、1.5、2.0cm(貫穿)4種不同水平；減薄面積以減薄范圍的最大直徑衡量，設(shè)置2、4、6、8、10cm五種同水平?？紤]到試驗(yàn)場(chǎng)地和時(shí)間的因素，試驗(yàn)中采用固定兩個(gè)因素，探討第三個(gè)因素影響的方式進(jìn)行。為了對(duì)比分析缺陷因素的實(shí)際情況，試驗(yàn)中以無(wú)缺陷方案作為對(duì)比工況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 缺陷部位

試驗(yàn)中保持缺陷深度1.5cm、缺陷大小6cm不變，對(duì)不同缺陷部位設(shè)計(jì)方案進(jìn)行低溫凍脹試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)，整理獲得缺陷中心部位溫度和凍脹量的分布柱狀圖，結(jié)果分別如圖1—2所示。從圖1—2可以看出，保溫板存在缺陷會(huì)增加渠基土和環(huán)境之間的熱交換，從而降低缺陷部位的渠基土溫度，增加該部位的凍脹量。在渠坡不同位置的保溫板缺陷對(duì)缺陷中心部位的溫度和凍脹量的影響程度存在一定的差別?？傮w來(lái)看，缺陷的部位越靠近渠坡頂部，保溫板缺陷的影響就相對(duì)較小，越靠近渠坡的底部，保溫板缺陷的影響就越大。以凍脹量為例，當(dāng)缺陷分別位于渠坡上部、中部和下部時(shí)，無(wú)缺陷凍脹量分別為4.8、5、5.2mm，有缺陷方案凍脹量分別為5.2、5.6、6.5mm，分別增加了約8.33%、12.00%和25.00%。由此可見，靠近渠底1/3部位的保溫板缺陷，會(huì)顯著增加缺陷部位的凍脹量，在工程施工和維護(hù)中要予以更多的關(guān)注。

圖1 不同減薄位置溫度柱狀圖

圖2 不同減薄位置凍脹量柱狀圖

2.2 缺陷深度

試驗(yàn)中保持缺陷位于位置3(靠近渠底1/3部位)，缺陷大小6cm不變，對(duì)不同缺陷深度方案進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)中獲取的數(shù)據(jù)，繪制出缺陷中心部位溫度和凍脹量隨缺陷深度的變化曲線，結(jié)果如圖3—4所示。由圖3—4可以看出，保溫板缺陷的減薄厚度也是影響缺陷部位溫度和凍脹量的重要因素，與對(duì)比方案相比，保溫板減薄會(huì)顯著降低減薄部位的溫度，同時(shí)增加減薄部位的凍脹量。從具體的變化趨勢(shì)來(lái)看，隨著減薄后的增加，缺陷中心部位的溫度會(huì)呈現(xiàn)出緩慢下降后迅速下降的變化特點(diǎn)，而凍脹量則呈現(xiàn)出先緩慢上升后迅速上升的變化特點(diǎn)。當(dāng)減薄厚度小于1cm，也就是減薄厚度不超過(guò)保溫板厚度一半時(shí)，減薄缺陷對(duì)減薄部位溫度和凍脹量的影響不大，當(dāng)減薄厚度超過(guò)保溫板厚度一半時(shí)影響較大，特別是缺陷屬于穿孔時(shí)，缺陷部位的溫度會(huì)急劇降低，而凍脹量會(huì)急劇增加。

圖3 溫度隨減薄厚度變化曲線

圖4 凍脹量隨減薄厚度變化曲線

2.3 缺陷大小

試驗(yàn)中保持缺陷位于位置3(靠近渠底1/3部位)，缺陷深度為1.5cm不變，對(duì)不同缺陷大小方案進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制出缺陷中心部位溫度和凍脹量隨缺陷大小的變化曲線，結(jié)果如圖5—6所示。由圖5—6可以看出，缺陷大小也是影響凍脹量的重要因素。從具體的變化趨勢(shì)來(lái)看，隨著減薄缺陷的變大，缺陷中心部位的溫度呈現(xiàn)出先小幅下降后迅速下降的變化特點(diǎn)，特別是缺陷最大直徑大于6cm時(shí)，溫度下降極為迅速；凍脹量的變化也呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，當(dāng)缺陷直徑小于6cm時(shí)，凍脹量的增大相對(duì)比較緩慢，當(dāng)缺陷直徑大于6cm時(shí)，凍脹量會(huì)急速增大。

圖5 溫度隨缺陷大小變化曲線

圖6 凍脹量隨缺陷大小變化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

鋪設(shè)聚苯乙烯保溫板可對(duì)有效預(yù)防和緩解寒區(qū)輸水渠道凍脹破壞，保證渠道的耐久性和功能發(fā)揮具有重要意義。但是，保溫板在施工過(guò)程中往往會(huì)存在不同程度的缺陷?；诖?，此次研究通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方式，探討了保溫板缺陷對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)凍脹的影響。結(jié)果顯示，不同的缺陷部位、深度和大小均會(huì)對(duì)渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹變形產(chǎn)生顯著影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了工程建設(shè)和維護(hù)方面的具體意見和建議。當(dāng)然，此次研究通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方式獲取，在今后還應(yīng)該依托具體工程展開室外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以驗(yàn)證結(jié)論的科學(xué)性，為工程設(shè)計(jì)建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)提供有力的支持。