宁夏引黄灌区典型渠段苯板防冻胀试验研究

武慧芳 陆立国 顾靖超

摘 要：为探究聚苯乙烯保温板在宁夏引黄灌区衬砌渠道防冻胀中的应用效果，通过在典型渠段上建立试验段，设置不同位置、不同厚度聚苯乙烯保温板观测断面，进行气温、冻胀量与渠基土含水率原型观测对比试验。对试验数据分析表明：聚苯乙烯保温板能够明显减小渠道冻胀量，阴坡冻胀量大于阳坡的，渠坡顶点位置冻胀量最大，铺设聚苯乙烯保温板有改善渠基土水分迁移状况、使基土不易发生冻胀的作用。

关键词：冻胀量；土壤含水率；聚苯乙烯保温板；宁夏引黄灌区

中图分类号：TV41

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2018.06.033

多年来渠道冻胀一直是制约混凝土渠道运行的关键因素，同时防冻胀破坏也是水利工程的重点、难点问题[1-2]。笔者结合宁夏引黄灌区为季节性冻土区的地域特色，在秦渠干渠选取具有代表性的东西走向试验段，通过设置不同位置、不同厚度聚苯乙烯保温板观测断面，进行渠道气温、冻胀量及土壤含水率现场试验，并对试验数据进行分析，探究渠道保温衬砌材料聚苯乙烯保温板的防冻胀效果，以及保温板厚度与冻胀量、土壤含水率之间的关系，以期为北方寒冷地区衬砌渠道防冻胀提供参考。

1 试验段概况及观测方法

1.1 试验段概况

试验段位于秦渠吴忠市秦坝关下游，桩号7+100-8+950.呈东西走向，渠道断面形式为弧底梯形断面，设计流量50 m3/s.渠深3.6 m，渠口宽28 m，底宽14.5 m.比降0.000 2.最大水深2.65 m，属挖方渠道，土质为壤土，冻土深度一般为50—90 cm，最大冻深为105 cm。试验段共设置5个观测断面，每个观测断面设置9个观测点，测点分布图见图1，断面衬砌形式见表1。

1.2 观测指标及方法

（1）气温：选用CAWS100温度雨量自动气象站，自动记录每天各时刻的气温数据。

（2）冻胀量：采用钢筋锚固牵拉钢丝的方法，利用直角钢尺，测量测点距地面的垂直距离，每3d观测一次。

（3）土壤含水率：采用TDR土壤剖面水分仪进行不同深度基土含水率的观测，冻结前、中、后期各观测一次。

2 气温观测

2014-2015观测年度，气温观测时间为2014年11月26日至2015年3月25日，观测总天数为120 d.气温变化特征值见表2，各月气温见表3，观测期最高、最低和平均气温变化过程线见图2。

由观测结果可知.2014-2015年度观测天数120 d.其中负温天数为85 d.-10℃以下天数仅为ld.日均气温为-1. 25℃。日最高气温为19.0℃，出现在2015年3月15日：2014年12月21日出现了一次降温，成為冻融期最低气温-17.7 ℃.较历年最低气温-28℃高：到3月份，月平均最低气温为-4.2℃：冻结指数为405℃.d.较灌区历年平均冻结指数666.7℃.d小。冻融周期气温整体偏高，变化平稳，出现负气温的天数明显减少，也没有出现极端天气。由此说明，2014-2015年度冻融周期属于暖冬。

3 冻胀量试验分析

各测点冻胀量过程线见图3。

测点1位于渠道阴坡（南坡）坡面最高水位处，对比该测点无保温板和分别铺设厚度为4、6、8、10 cm保温板所产生的冻胀量，最大冻胀量依次为5.8、3.5、2.4、0.5、0.2 cm，可见保温板能够减小渠道冻胀量，且随着保温板厚度的增大，冻胀量逐渐减小。从冻胀量过程线可以看出.4 cm与6 cm保温板冻胀量相近，8cm与10 cm保温板冻胀量相近。

测点2位于渠道阴坡（南坡）1/2最高水位处，冻胀量过程线变化规律同测点1相似，最大冻胀量依次为5.5、3.1、2.0、0.7、0 cm。

测点3位于渠道阴坡（南坡）与圆弧坡脚相交处，最大冻胀量依次为3.5、2.3、2.1、1.3、1.0 cm。该测点冻胀量变化规律同测点1、2相似。

测点1、2、3均为渠道阴坡（南坡）边坡测点，各测点冻胀量变化情况相似。无保温板冻胀量最大，铺设保温板可显著减小冻胀量，且随着保温板厚度的增大冻胀量逐渐减小。从观测数据来看，测点1冻胀量最大，其原因是测点1位于渠道最高水位处，接近渠道顶点位置，受水平方向冻胀力的作用，冻胀量最大。

测点4位于阴坡（南坡）坡脚处，对比该测点20、25、30 cm现浇混凝土板所产生的冻胀量以及20 cm现浇混凝土板+4、6 cm苯板所产生的冻胀量，20、25、30 cm现浇混凝土板最大冻胀量依次为7.1、5.1、3.6 cm.20 cm现浇混凝土板+4、6 cm苯板最大冻胀量分别为1.5、1.0 cm。由以上数据可以看出，随着现浇混凝土厚度的增大，冻胀量有小幅度的减小，说明现浇混凝土板具有一定的防冻胀能力，将20 cm现浇混凝土板与铺设保温板断面测点相比较，发现保温板能够显著减小渠道冻胀量，具有较好的防冻胀效果。

测点6位于阳坡（北坡）圆弧坡脚中间位置，由于该测点日照时间长，并且可利用圆弧坡脚自身的反拱作用抵抗一定的冻胀变形，因此在此位置没有设置聚苯乙烯保温板，断面1至断面5各测点冻胀量依次为1.8、2.2、2.3、2.0、1.5 cm，各断面测点6冻胀量相差不大，冻胀量过程线多处相交、重合。将该测点冻胀量与阴坡测点4中20 cm现浇混凝土断面冻胀量7.1 cm相比较发现，阳坡冻胀量明显低于阴坡对应位置的冻胀量。

测点7位于阳坡（北坡）坡面与圆弧坡脚相交处，对比该测点无保温板和铺设4、6、8、10 cm不同厚度保温板所产生的冻胀量，最大冻胀量依次为3.1、2.2、1.3、0.8、0.5 cm。由以上数据可以看出无保温板断面测点冻胀量最大，铺设保温板可有效减小冻胀量，且随着保温板厚度的增加，冻胀量均有不同程度的减小。由冻胀量过程线可知，4 cm保温板可显著减小渠道冻胀量，同样6、8、10 cm保温板都有显著减小冻胀量的作用，但是三者冻胀量过程线相近，多处交叉重合，保温效果相近。

测点8位于渠道阳坡（北坡）最高水位1/2位置，无苯板和分别铺设厚度为4、6、8、10 cm苯板的最大冻胀量依次为2.8、2.4、1.0、0.9、0.5 cm。该测点冻胀量变化规律同测点7相似，无保温板断面测点冻胀量最大，铺设保温板后，冻胀量明显减小，且随着保温板厚度的增加，冻胀量均有不同程度的减小。冻胀量过程线中，4 cm保温板能够减小一定的冻胀量，6、8、10 cm保温板冻胀量三者过程线多处相交重合，保温效果相近，可大幅度减小冻胀量。

测点9位于渠道阳坡（北坡）最高水位处，无苯板和分别铺设厚度为4、6、8、10 cm苯板的最大冻胀量依次为4.2、2.7、1.2、0.8、0，6 cm。从以上数据可以看出无保温板断面测点冻胀量最大，即冻胀最为严重，铺设保温板能够减小冻胀量，4 cm与6 cm保温板可显著减小冻胀量.8 cm与10 cm保温板冻胀量过程线基本重合，且与6 cm保温板冻胀量过程线相近。

测点7、8、9均为渠道阳坡（北坡）测点，其中位于渠道最高水位处的测点9冻胀量最大，规律同阴坡测点相一致。渠道阳坡受日照时间长，冻胀程度较阴坡轻一些，相同观测年度各测点冻胀过程线变化趋势相近，没有铺设保温板断面的冻胀量明显大于不铺设保温板断面的，并且铺设保温板的断面冻胀量随着保温板厚度的增加而减小，当保温板厚度超过6 cm时冻胀量减小幅度比较小。

4 土壤含水率变化

含水率测点断面衬砌形式如下：阴坡边坡为6 cm厚C15预制混凝土板+3 cm厚M5水泥砂浆+复合土工膜（ 0.03 cm/150 g）+6 cm厚苯板，阴坡坡脚为20 cm厚C20现浇混凝土圆弧坡脚，阳坡边坡为6 cm厚C15预制混凝土板+3 cm厚M5水泥砂浆+复合土工膜（0.03 cm/150 g）+4 cm厚苯板，阳坡坡脚为20 cm厚C20现浇混凝土圆弧坡脚，渠底为6 cm厚C15预制混凝土板+3 cm厚M5水泥砂浆+复合土工膜（0，03 cm/150 g）。含水率观测数据见表4，各测点冻结前、中、后期含水率见图4。

冻结前、中、后期土壤含水率数据对比可以看出，冻结前期土壤含水率隨着测点深度增加逐渐变大，并且阴坡测点1、3大于阳坡测点9、8、7；冻结中期测点含水率均有不同程度的增大，阴坡测点含水率依然大于阳坡的：冻结后期上部测点含水率减小，但是下部测点含水率稍有增大，其原因为土壤从冻结到消融过程中，上部测点水分子不断发生迁移以及暴露在空气中产生蒸发等，下部测点在消融后，水分子因重力作用而向下渗流[3]。

由各测点在不同时期的土壤含水率曲线对比可以看出，测点1、3与测点7、8、9铺设有不同厚度的聚苯乙烯保温板，冻结前期、后期含水率虽然有一定程度的增加，但是增加幅度并不是很大，说明聚苯乙烯保温板能够改善基土水分的迁移状况，使基土不易发生冻胀[4]。测点5、6、7位置没有铺设保温板，冻结前期、后期含水率变化显著，且含水率曲线在40～ 60 cm土层变化较大，其原因是土壤最大冻深在该土层范围内，水分子在该范围内大量聚集，使得含水率偏高。

5 结论

通过在宁夏引黄灌区秦渠骨干渠道上选取典型试验段，对气温、冻胀量与土壤含水率进行观测，并对观测数据进行分析，得出以下结论。

（1）聚苯乙烯保温板能够明显减小渠道的冻胀量，且随着保温板厚度的增大，冻胀量逐渐减小。受太阳辐射影响，阴坡冻胀量明显大于阳坡的：同一观测断面的渠道边坡测点，顶端冻胀量最大：现浇混凝土板有一定的减小冻胀量作用，但是减小幅度较聚苯乙烯保温板小得多。

（2）渠基土冻结中期含水率高于冻结前期、后期。冻结前期土壤含水率随着测点深度的增加而增大：冻结中期土壤含水率在最大冻深范围内最大：冻土后期上部测点土壤含水率减小，下部测点土壤含水率增大。

（3）同一观测断面阴坡测点含水率大于阳坡的，渠底的大于边坡的，且聚苯乙烯保温板能够改善渠基土水分的迁移状况，使基土不易发生冻胀。

参考文献：

[1] 张国军，陆立国，影响衬砌渠道冻胀破坏严重的关键因素[J].中国农村水利水电，2012（9）：105-108.

[2]薛塞光，宁夏寒冷地区骨干渠道砌护技术研究[J].人民黄河，2012，34（1）：96-98.

[3] 郭占荣，荆恩春，聂振龙，等，冻结期和冻融期土壤水分运移特征分析[J].水科学进展，2002.13（3）：298-302.

[4]程满金，申利刚，步丰湖，等，聚苯乙烯保温板在衬砌渠道防冻胀中的应用研究[J].灌溉排水学报，2011，30（5）：22-27.