聚氨酯保温板在哈达山输水干渠中的应用研究

程玉辉，周贺达

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春 130021)

0 引言

哈达山水利枢纽工程是吉林省增产百亿斤商品粮能力建设的骨干水源工程。工程建成后，年均可向吉林省西部供水19亿m3，可发展灌溉面积19万hm2，同时通过湿地补水和直接供水,可大量减轻地方性氟中毒的影响，并改善当地的自然环境。该工程输水干渠渠长96 km，设计引水流量175 m3/s。渠道护坡的防冻胀是输水干渠工程面临的关键技术问题。

总干渠地处严寒地区，渠床多为强冻胀土，渠道沿线地下水位高，冻胀问题非常突出。为了确保输水干渠衬砌设计的科学、可行，以及输水干渠的长期安全运行，于2008年10月开始进行渠道衬砌防冻胀试验。渠道衬砌试验选择了地质条件具有代表性的4处试验段，总长911 m，共布置了10种结构型式，37种不同规格、坡向的衬砌方案，是目前国内同类实验中最长的原型试验工程。主要目的是研究哈达山输水干渠衬砌工程在其不同工程地质、水文地质条件下可行工程措施，并为施工图设计提供科学依据。

1 试验场的基本情况

试验场位于总干渠附近，试验场地质结构与总干渠相同，试验目的是为了揭示本地区冻结、冻胀规律，为优化渠道衬砌防冻胀设计提供基础依据。

在试验场设计了9个不同保温处理的试验方案，其中8个试验方案为不同保温板厚度的温度监测方案，1个为无保温处理的对比段，测试方案分别为：对比段、1 cm、2 cm、3 cm、4 cm、5 cm、6 cm、8 cm、10 cm 厚保温板，对比段及保温板上砌筑13 cm厚预制混凝土砌块。试验方案的试验面积均为6 m×6 m，每种试验方案周围用6 cm厚的保温板封闭，封闭深度为2 m。

硬质聚氨酯保温板密度为40～45 kg/m3，导热系数不大于0.02 W/（m·k），吸水率不大于2%，压缩性能不小于228 kPa，尺寸稳定性不大于0.3%。

在试验场设计了1组分层冻胀量观测装置，分层冻胀量的埋置深度分别为 0，20，40，60，80，100，120，140，160，180，200 cm。

2 冻结冻胀规律研究观测设计方案

为准确评价聚氨酯保温材料的保温效果，系统研究松原灌区地基土冻结、冻胀规律及本试验周期冻结环境，在输水干渠首部设有气象观测设备，在试验场内设有冻结深度监测设备、分层冻胀量监测装置、不同厚度保温板的保温效果监测设备、地下水位观测等。

3 观测内容

试验场主要观测基土的分层冻胀量，在铺设不同厚度保温板条件下基土的温度场变化情况及冻胀量值、地下水变化过程、基土性质及含水率的变化情况等内容。

4 试验场测试成果

4.1 地下水埋深的变化

试验场封冻前地下水1.25 m左右，到1月11日地下水埋深达到最大1.89 m，之后地下水位回升，在冻结过程中，试验场地下水位降幅0.64 m。试验场地下水埋深的变化过程线见图1。

图1 试验场地下水埋深的变化过程线

4.2 土壤含水率的变化情况

一般情况下，冻胀敏感性土质在冻结过程中都会有水分重分布的现象，主要表现在下层土中的水分向冻结锋面迁移，形成冰夹层或冰透镜体，使土体体积增大，宏观上表现出土体表面发生冻胀。在相同的冻结环境下，土体的性质和地下水位决定了冻结过程中水分迁移量的多少，也决定了土体冻胀量的大小。试验场2008年11月30日及2009年3月10日各层土含水率分布见图2。

由图2可见，试验场土层在冻结深度（120 cm）范围内水分重分布的现象非常明显，水分迁移量约达到8%。

4.3 地温变化规律

图2 试验场含水率分布图

在冻结期，各层地温随着时间推移呈下降趋势，在2月下旬至3月初地温开始回升，此时，在120 cm处地温降低到0℃以下，冻结深度为125 cm。3月中旬后消融开始，表层地温迅速抬升，对比段地温在40 cm范围内温度受气温波动影响较为敏感，地温升降变化较明显。而在40 cm以下土层受气温波动影响较小，尤其是在120 cm以下土层，温度缓慢下降，在4月初达到稳定期。保温板厚5 cm试验单元地温过程线与对比段有明显的区别，在冻结期，受保温板隔热的影响，地中热流受到保温板的阻滞，使得保温板上面0 cm处地温过程线受气温波动影响更为敏感，其极值地温接近-22℃，在保温板下各层地温缓慢下降，温度线变化平缓，保温板下10 cm处地温在0℃左右，仅处于冻结的临界温度。同样，在消融阶段，在保温板下层基土升温速度也较慢。由此可见，保温板的保温效果非常明显。对比段和保温板厚5 cm试验单元各层地温变化过程线见图 3，图 4。

4.4 不同试验单元冻结期地温统计

在同一试验单元，随着测温深度的增加，与对比单元相比其冻结期平均温度提高值逐渐减小。在不同厚度保温板试验单元，随着保温板厚度的增大，与对比单元相比其冻结期平均温度提高且逐渐增大。如：与对比单元同位置相比：在6 cm厚保温试验单元，10 cm处冻结期平均温度可提高5.7℃，200 cm处温度仅提高1.4℃。在80 cm处，1 cm保温板与对比单元相比其冻结期平均温度提高1.3℃，10 cm保温板与对比单元相比其冻结期平均温度提高3.7℃。在冻结期各试验单元在不同深度地温平均值及地温提高值见表 1，2。

图3 对比段地温过程线

图4 保温5 cm试验单元地温过程线

表1 冻结期不同厚度保温板不同深度地温平均值 /℃

表2 冻结期不同厚度保温板不同深度地温提高值 /℃

4.5 对比单元与保温单元冻结过程

在2008—2009年冻融观测期内，从2008年11月中旬地表开始封冻，到2009年3月上旬达到最大冻深，最大冻深为125 cm，3月下旬开始消融，至5月上旬融通。最大冻深为60 cm，3月下旬开始消融，至4月下旬融通。由2条冻结线对比分析，在冻结期，保温板对冻结锋面的推进起到了明显的抑制作用，起始冻结时间推迟约15 d的时间，且其冻结速率较小；在融化阶段，由于保温板导热系数小，阻滞了地表土壤与大气的热交换速度，其消融速度也较缓。对比单元冻融过程线的速率明显大于保温板试验单元，2 cm厚保温板消减冻深65 cm，消减率达到52%。对比单元与保温单元冻深过程线（以2 cm厚板保温单元为例）见图5。

图5 对比单元与2 cm厚板保温单元冻深过程线

4.6 各试验单元特征值

各试验单元最大冻深特征值见表3。

表3 各试验单元冻深特征值

4.7 冻胀量变化情况

4.7.1 分层冻胀量冻胀过程与特征值

为研究地基土各层次冻胀量的大小，采用了单体基准法对各土层的冻胀量进行了监测，每层土层厚度为20 cm。随着冻结深度的发展，由上而下各层基土依次开始发生冻胀，达到最大冻胀量后，从3月中旬依次开始融沉，至6月上旬全部复位，各土层冻胀过程线见图6。

图6 分层冻胀量冻胀过程线

表层冻胀量最大值13.6 cm，在40～60 cm的冻胀量最大达到4.7 cm，冻胀率达到23.5%，由于冻结深度为125 cm，在120～140 cm仍有1.1 cm的冻胀量，而在冻层以下140～180 cm则出现0.4 cm的沉降（或冷缩），冻结层内平均冻胀率为11%。分层冻胀量统计结果见表4。

表4 分层冻胀量（率）特征值表

4.7.2 不同厚度保温板试验单元的冻胀量过程和特征值

各试验单元随着保温板厚度的增加，冻胀起始时间依次滞后，至3月中下旬达到冻胀最大值，之后开始融沉，到5月中旬逐步复位。对比单元冻胀量为16.0 cm，1 cm厚保温板试验单元虽然冻深消减了36%，但冻胀量依然达到16.2 cm，可见冻结深度与冻胀量并不成正比关系，冻结深度不大时，较缓慢的冻结速率有可能形成更剧烈的水分迁移，也会产生更大的冻胀量。当保温层达到5 cm时，没有产生冻胀量。不同厚度保温板试验单元的冻胀量过程线见图7。

与对比单元相比，2，3，4 cm厚保温板试验单元产生冻胀的时间分别推迟了4，30，45，60 d，分别消减冻胀量46%，71%，94%，体现出保温板的保温效果非常明显。不同试验单元冻胀量特征值统计见表5。

图7 不同厚度保温板试验单元冻胀量过程线

表5 分层冻胀量（率）特征值表

5 结语

哈达山水利枢纽工程（一期）输水干渠护坡通过试验论证后，采用聚氨酯保温板防冻胀方法技术可行、经济合理，实际施工中输水干渠阴坡、阳坡分别采用了6 cm、5 cm厚聚氨酯保温板防冻胀，聚氨酯保温板具有导热系数小，吸水率低，铺设厚度较薄，施工简便等优点，可以在水利工程中进一步地推广应用。

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