高寒地区大型渠道抗冻胀护坡保温板阻冻特性研究

马栋和 李艳萍 张洪龙

(1. 中水东北勘测设计研究有限责任公司， 吉林 长春 130061；2. 水利部-寒区工程技术研究中心， 吉林 长春 130061；3. 松原市哈达山水利枢纽工程管理局， 吉林 松原 138000)

高寒地区大型渠道抗冻胀护坡保温板阻冻特性研究

马栋和1,2李艳萍1,2张洪龙3

(1. 中水东北勘测设计研究有限责任公司， 吉林 长春 130061；2. 水利部-寒区工程技术研究中心， 吉林 长春 130061；3. 松原市哈达山水利枢纽工程管理局， 吉林 松原 138000)

针对寒冷地区大型渠道冻害防治问题，在哈达山水利枢纽工程输水干渠段开展保温防冻护坡原型试验，对不同保温板厚度下基土冻胀特征与保温防冻机理及保温零热阻进行研究。研究表明，保温护坡可以有效消减基土冻胀量； 零热阻计算公式中保温板零热阻可取0.0016。成果对于大型渠道设计、运行管理，以及对冰冻学科技术的发展均具有重要意义。

大型渠道； 高寒地区； 冻胀； 研究

中国东北、西北等寒冷地区，冬季气候寒冷，造成了地壳表层土不同深度的冻结。土层在冻结和融化过程中，将发生一系列物理力学性质的变化，诸如地表冻胀隆起、融化沉陷等现象，使许多坐落在土基上和以水为环境的各类工程和建筑物，受到冰推、冻胀和冻融作用而产生不同部位、不同形式、不同程度的破坏。

输水渠道具有沿线长、地质条件复杂、填筑土性多样和渠道衬砌体积轻以及冬季过水条件和冰冻作用不同等特点，其冻害破坏比其他水工建筑物更易发生[1]。对于渠道特别是寒冷地区的大型渠道冻害仍然是严重影响并制约严寒地区农业、畜牧业发展的重要因素。

1 工程概况

哈达山水利枢纽工程，位于第二松花江干流下游河段，距松原市东南约20km，其地处中纬度欧亚大陆东缘，属北温带大陆性季风气候区，四季气候变化明显，冬季严寒而漫长。根据松原市1970—2012年(42年)气象资料统计，历年冻结历时平均123天，冻结历时最长146天，最短102天，历年极端最低气温-38℃。

哈达山水利枢纽工程，为吉林省最大水利工程，渠道全长96.80km，渠底宽度较大可达数十米，渠高4m以上。第四纪沉积地层广布全区，类型繁杂，主要岩性结构由壤土、泥炭土、淤泥质壤土等强冻胀土组成。沿线有填方渠道，半挖半填和深挖方渠道，挖方段渠道沿线地下水位高，近63km渠段地下水位在设计渠底以上，最高达到设计渠底以上近6.80m 。

2 方案设计

为确保输水干渠保温衬砌设计的科学、可行，及输水干渠在寒冷条件下的长期安全运行，开展渠道保温防冻护坡原型试验(渠道衬砌横断面结构如图1所示)。在输水干渠桩号48km北侧建立1处冻胀规律试验场(试验场衬砌结构形式与渠道衬砌一致)，采用聚氨酯硬泡板(保温板技术指标见表1)设置了9个不同保温处理的试验方案，保温板厚度分别为0cm、1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、8cm和10cm，保温板上均铺设13cm厚的预制混凝土板。每个试验方案的平面尺寸均为6×6m，如图1所示。为防止周围土层降温冻结的影响，每种试验方案周围均用6cm厚的保温板做成帷幕式封闭，封闭深度为自地表以下2m，试验单元立面示意图如图2所示。

表1 聚氨酯泡沫塑料板的技术指标

图1 渠道衬砌横断面结构

图2 试验场多种保温方案

3 冻胀规律研究

根据多年观测成果，不同厚度保温板下土的冻深和各年度不同保温板厚度与冻胀量关系如图3、图4所示。

图3 不同厚度保温板下土的冻深

图4 各年度不同保温板厚度与冻胀量关系

由图3、图4可见，保温衬砌方案可有效削减渠道基土冻胀量[2-4]。2008—2009年，保温板厚度5.50cm时板下无冻深； 2009—2010年，保温板厚度8.cm时仍有1.20cm的冻胀量，板厚10cm时无冻胀。由于无板厚9.0cm的试验方案，只能从保温板厚度8cm时仅有1.20cm判断，无冻深和冻胀的板厚应在9.0cm左右；2011—2012年，保温板厚度6cm时仍有8cm的冻深，3.40cm的冻胀量。未设置板厚7cm方案。板厚8cm时，冻胀量出现-1.10cm的负值，即地面收缩下沉。由此判断，无冻深和冻胀的板厚为7.50cm左右。

4 保温防冻机理与保温热阻研究

保温防冻是利用保温材料的热导率小，在一定厚度的保温层与基土界面上实现吸热与放热之间的热量平衡，以达到基土不受冻结的目的[5-7]。在这种情况下，Δτ时段内界面上的放热量是通过保温层进入大气的热量ΔQ(式1)，吸热量主要是地热流Δq(式2)和基土一定深度内内能(热容量)的改变[8-9]。保温层的厚度可用热量平衡方法计算[10]：

(1)

Δq=q0Δτ

(2)

Ra=δ0/λ0+δC/λC+1/α

(3)

式中Q——Δτ时段内的放热量，J；

s——计算面积，m2；

t——气温，℃；

t0——保温层与基土界面处的温度，t0=0℃；

Ra——热阻，m2·℃/W；

δ0——保温板厚度，m；

λ0——保温板的热导率，W/(m·℃)；

δc——覆盖层(板)厚度，m；

λc——覆盖层(板)的热导率，W/(m·℃)；

α——表面放热系数，W/(m2·℃)；

Δq——Δτ时段内的吸热量，J/m2；

q0——热流强度，W/m2；

Δτ——计算时间，d。

保温层与基土界面处的温度t0=0℃；气温t为冻结期的平均气温；时间为冻结期天数。由式(1)、式(2)可得：

(4)

(5)

τ——冻结期时长(∑Δτ)，d。

式(5)可写为

R=βI

(6)

式中β——零热阻系数，m2/(W·d)。

式(5)和式(6)中的热阻R即为满足基土不受冻结所需的总热阻值，并称之为总零热阻。保温衬砌的总零热阻以R0表示，由式(3)可得

(7)

式(7)中，混凝土热导率由试验确定，初步计算时，普通混凝土可取2.5W/(m·℃)。放热系数与风速有关，一般风速3m～4m/s时可取16～20 W/(m2·℃)。这两项占总热阻的比例很小，约为5%左右。因此，从偏于安全和简化计算考虑，设计中可不计这两项，即认为保温板的零热阻近似等于总零热阻，即

R0=R=βI

(8)

式(8)中的零热阻系数β值与土质、密度、含水率、地温等因素有关，难以确定，因此采用现场试验方法求得。

根据上述，取各年度基土无冻胀时保温板厚度分别为5.50cm(2008—2009年度)、9cm(2009—2010年度)和7.50cm(2011—2012年度)，算得相应的β值见表2。

表2 各年度热阻系数β值

从表2可见，几个观测年度计算所得β值基本一致。据此，建议在保温设计中可取β=0.0016。

5 结 论

a.保温护坡可以有效消减基土冻胀量。在2008—2009、2009—2010及2011—2012三个冻融观测周期内，当保温板厚度分别为5.50cm、9cm和7.50cm 时保温板下均未产生冻深，保温板厚度的差异主要与冻融周期内冻结指数大小有关。

b.保温防冻护坡的基本目的是在坡面上铺设一定厚度和热导率小的保温材料，以达到基土与保温材料界面上热量平衡。根据热量平衡原理提出了按冻结指数确定保持基土不冻的保温板热阻(零热阻)计算公式。根据几个年度的试验结果得出零热阻系数可取0.0016。试验成果可为保温防冻设计充实有关抗冻技术规范提供依据。

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[3] 张欣,宗兆博,宋立元,等.东港灌区苯板保温渠道衬砌抗冻胀试验研究[J].中国农村水利水电,2013(8):95-98.

[4] 申利刚,程满金,杨宏志,等.渠道衬砌铺设聚苯乙烯板保温防冻害试验研究[J].内蒙古水利,2001(3):12-14.

[5] 宗兆博,张欣,宋立元.辽宁东港灌区渠道铺设苯板保温抗冻胀试验研究[J].人民长江,2013,44(4):52-55.

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[8] HE Wuquan,ZHENG Shuirong,SHEN Changyue.Experimental study on composite insulating plastic board of preventing channel seepage and frost heave[J].Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering,2012,30(5):553-557.

[9] HE Wuquan,CAI Mingke,WANG Yubao,et al. Preparation and performance of compound polyurethane foam plastic board for freezing prevention in channel lining[J].Advanced Materials Research,2011(189):359-364.

[10] 佟国红,车忠仕,白义奎.热量平衡法确定日光温室换气次数[J].沈阳农业大学学报,2008,39(4):459-462.

Research on anti-freezing features of large channel anti-freeze slope protection insulation board in alpine region

MA Donghe1,2, LI Yanping1,2, ZHANG Honglong3

(1. Zhongshui Northeast Survey Design Research Co., Ltd., Changchun 130061, China;2. MWR- Research Center for Engineering and Technology in Cold Region, Changchun 130061, China;3. Songyuan Hadashan Water Conservancy Project Administration, Songyuan 138000, China)

Heat preservation anti-freezing slope protection prototype experiment is carried out in water conveyance trunk section of Hadashan Water Conservancy Project aiming at large channel anti-freezing problem in cold regions. The foundation soil frost heave characteristics, heat insulation anti-freezing mechanism and heat insulation zero thermal resistance under different heat insulation board thicknesses are studied. The research shows that the heat insulation slope protection can effectively eliminate the foundation soil frost heave. The heat insulation board zero thermal resistance can be 0.0016. The results are of great significance for large-scale channel design, operation management, and development of cryoscience technology.

large channels; alpine region; frost heave; research

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.08.010

TV214

A

1005-4774(2017)08- 0034- 04