聚苯乙烯泡沫板在疏勒河灌区中的实验应用

赵国荣

摘  要：疏勒河灌区近年来由于渠道冻胀等问题，影响灌区的正常运行。为此，疏勒河灌区为解决灌区的冻胀问题，在部分改建渠道上试验、使用了聚苯乙烯泡沫板，但是该材料的应用并没有从根本上解决灌区的冻胀问题，经过试验发现，采用苯板的渠道依然存在冻胀破坏现象。文章经过分析渠道的抗冻胀机理，最终通过总结疏勒河灌区实施的抗冻胀试验，提出了采用聚苯乙烯泡沫板做为抗冻胀材料的改善措施。

关键词：疏勒河灌区;渠道;冻胀破坏;聚苯乙烯泡沫板;实验应用

中图分类号：TV49     文献标识码：A      文章编号：1006-8937（2015）06-0036-02

1  项目背景

疏勒河灌区经过几十年的运行，部分渠道及渠系建筑物存在的冻胀破坏等问题，影响灌区的正常运行。在这种情况下，灌区在改建部分渠道时使用了聚苯乙烯泡沫板，通过灌区运行单位对该材料的试验、应用，发现也存在着一些问题。由于渠道冻胀主要是渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌块而形成。冻胀破坏必须具备以下三个因素：

①持续的负温条件。

②土壤中自由水和毛细水的存在，并且有通畅的水分补给通道。

③土壤本身的物理力学性质，包括土的颗粒组成，矿物质成份等。

目前疏勒河灌区渠道基本满足这三个条件，并且以中下游渠道冻胀破坏最为严重，这是因为地下水位越浅，土的冻胀量也越大。土质条件相同时，地下水埋藏深度与土体冻胀性近于反比关系。而灌区中下游地下水位埋深浅，其次由于大水漫灌，土体中自由水和毛细水的补给十分充足，这导致在冬季由于持续低温引起土体膨胀，顶托衬砌块，破坏渠道。

在疏勒河灌区渠道抗冻胀设计有两种方案：

①置换砂砾石垫层。

②采用聚苯乙烯泡沫塑料板。

由于砂砾石垫层方案运用条件已经非常成熟，所以不再论述，此次就聚苯乙烯泡沫塑料板近年来在疏勒河灌区的试验、实践进行分析。

2  聚苯乙烯泡沫板在疏勒河流域的试验

2.1  在疏勒河的第一次试驗

2.1.1  试验设计

2007年在疏勒河流域双塔总干渠4+000～4+200段进行了聚苯乙烯泡沫板实验，该渠段为弧底半径0.750 m，边坡1？誜1.5，渠深2.950 m，渠口宽9.758 m，纵坡1？誜425，用12 cm厚的聚苯乙烯保温板防冻胀，上铺3cm厚MS水泥砂浆找平层，10 cm厚C20预制混凝土板衬砌。

对比方案为相同水力要素下总干渠4+200～25+350段采用预制C20混凝土板衬砌+砂砾石垫层防冻胀的弧底梯形渠。对渠基进行原土开挖、夯实，换填粒径3～40 mm砂砾石垫层，渠底、阴坡厚100 cm，阳坡厚80 cm，干容重≥2.0 t/m3，密实度≥75%，采用（100 g/0.3 mm/100 g）二布一膜防渗，上铺3 cm厚MS水泥砂浆找平层，10 cm厚C20预制混凝土板衬砌。同时每隔100 m增加一个直径约1.2 m的渗井，渗井穿透隔水层，开挖后回填粒径10～40 mm砾石。

2.1.2  试验结果

该试验段于2007年10初建成投入使用，2007年11月10日停水，停水时外界气温已达到-6 ℃，经历了2008年1月最低温度-30 ℃的低温考验，经过肉眼观测，在双塔总干渠4+000～4+200段没有发现冻胀破坏。但该渠段设计时没有引进先进的试验设备，只能粗略通过肉眼观测，对聚苯乙烯泡沫板在渠底的保温不能进行定量的判断。

2.2  在疏勒河的第二次试验

2.2.1  试验设计

2011年，第二次苯板试验在昌马东干六支渠和双塔北干七支三分支渠进行，其中昌马东干六支渠渠口宽2.11 m，渠深0.69 m，边坡系数1.25，砂砾石垫层厚度为40～70 cm;双塔北干七支三分支渠渠口宽3.53 m，渠深1.08 m，边坡系数1.25，设计流速1.25 m/s，砂砾石垫层厚度为60～30 cm;在原设计渠道断面、水利要素不变的前提下，用密度20 kg/m3保温板置换砂砾石垫层，渠道底、阴坡保温板设计厚度12 cm，阳坡厚度8 cm。自2013年9月21日开始，每旬逢1、6日上午9点至12点时段内现场观测，2014年5月15日结束观测。设置3个渠段进行试验，其中1个渠段试验为砂砾石垫层作为对比。其余2个试验段作为聚苯乙烯保温板试验，每个试验段均在渠道阴坡和阳坡的上部（77%L处，其中渠边坡长为L）、中部（50%L处）、下部（23%L处）及渠底（渠中心线处）布设变形观测点，在阴、阳坡的渠堤紧靠聚苯乙烯保温板竖直埋设土壤含水量观测孔。在阴坡、阳坡的上、下部位布置不同深度的地温观测点见表1。

2.2.2  试验结果

地温观测布置了8个点，其中阴坡不同深度布置4个点，渠底不同深度布置4个点。通过对阴坡、渠底观测数据来看，除埋深在20 cm的点位存在个别出现负温意外，其他各点位数据都在0 ℃以上。在气象日观测平均气温在-11 ℃时，地温均在0 ℃以上，聚苯乙烯保温板起到了渠基的保温作用。

2.3  试验总结

通过对昌马东干六支渠和双塔北干七支三分支渠进行试验分析，渠道底部基础没有产生冻胀破坏，但是渠堤产生了冻胀破坏。那么如果人为的破坏产生冻胀的三要素，就能够保证渠道不再产生冻胀，那么能做的就是置换冻胀土和减少渠坡处的水分。而如果置换冻胀土，这与之前的砂砾石垫层置换是相同的，且这种方法无法使用聚苯乙烯泡沫板，所以如果采用聚苯乙烯泡沫板，那么就不能采用置换冻胀土的方法。那么就只有采取措施破坏土壤中的水分，从而达到抗冻胀的效果。该设计在渠坡处设置一个砂井，从而将渠坡的水分收集到砂井中，当砂井内的水位高于渠底以上10 cm时通过防淤堵式逆止排水器将水分排到渠道，从而保证渠底以上10 cm范围内无水，10 cm以下部分即使有水，但是由于苯板的保温作用，温度>0 ℃，不会产生冻胀，从而从根本上解决渠道的抗冻胀问题。

3  结  语

渠道的抗冻胀问题一直是疏勒河灌区中渠系产生破坏的重要原因，为了从根本上解决这一难题，疏勒河灌区运行单位为苯板的应用做出了巨大的努力。而苯板作为一种新型的抗冻胀材料，已经在各大灌区内得到实践应用，但是采用苯板后渠道的后续冻胀问题仍然存在，那么如果采取措施从根本上解决由于采用苯板而导致的渠坡冻胀问题，那么这将为苯板的大面积推广有着里程碑意义。

参考文献：

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