北方不同地域混凝土衬砌渠道聚苯乙烯泡沫板保温防冻胀适宜厚度分析

吉 晔，张绍强，沈莹莹

(中国灌溉排水发展中心， 北京 100054)

大型灌区是我国农村经济社会发展和生态环境保护的重要基础设施，是国家粮食安全和用水安全的重要保障[1]。目前，我国现有大型灌区456处，总灌溉面积1.853×107hm2[2]，北方地区187处，占全国大型灌区总灌溉面积的45.1%。其中，西北地区大型灌区93处，占全国大型灌区总灌溉面积的29.4%；华北地区大型灌区48处，占全国大型灌区总灌溉面积的11.1%；东北地区大型灌区48处，占全国大型灌区总灌溉面积的4.6%。北方大型灌区地处欧亚大陆东部的中高纬度地带，属中温带半干旱大陆性气候，冬季漫长寒冷，为季节冻土区。受气温、土质、地下水位等方面原因的影响，已建的渠道衬砌与防渗工程都不同程度地遭受到冻胀破坏，不仅影响了工程的正常运行，增加了工程管理维修费用，也降低了渠道防渗效果和使用寿命[3]。

渠道保温防冻胀技术可以减轻或消除渠道基土的冻胀变形，有效地解决混凝土衬砌渠道的冻胀破坏问题，在北方大型灌区节水改造中已得到应用[4]。试验和应用实践表明，聚苯乙烯泡沫板作为一种新型的渠道防冻胀保温材料, 防冻胀效果十分明显[5]，但北方地区地域广阔，不同地域气候、地质条件相差较大，局部的试验或应用成果较多，而混凝土衬砌渠道聚苯乙烯泡沫板保温防冻胀适宜厚度缺乏全局性和系统性分析，相关人员在本区域进行渠道工程规划设计中，对聚苯乙烯泡沫板厚度的选取无据可依，影响了渠道保温防冻胀技术的推广应用。因此，进行北方不同区域混凝土衬砌渠道聚苯乙烯泡沫板保温防冻胀适宜厚度分析具有重要的现实意义。

1 聚苯乙烯泡沫板保温防冻胀效果影响因素分析

北方地区影响聚苯乙烯泡沫板保温防冻胀效果的因素主要包括区域因素(如负积温、地下水埋深、强冻胀性土壤)、渠道级别(一般按流量划分)、渠道走向及渠道部位[6]。

1.1 区域划分

考虑北方地区的气候特点，将北方地区划分为华北地区、西北地区、东北地区。华北地区属亚热带和中温带的过渡带，冬季寒冷干燥，年最低气温多出现在1月份，最低可达-35℃；根据土壤、地温、地下水埋深浅等条件，华北地区细分为河北南部、山西、天津地区，内蒙、北京、河北北部地区。东北地区是我国纬度位置最高的区域，属大陆性季风型气候，冬季严寒而漫长，1月份为最冷月，平均气温-25℃～-29℃，年极端最低气温为-45℃，东北地区可细分为辽宁、吉林地区，黑龙江地区。西北地区地域广阔，冬季寒冷，气温的空间分布差异较大，1月平均气温的变化范围在-27℃～4℃之间。西北地区可细分为陕西的北部、甘肃、宁夏、青海及新疆南部地区，新疆北部地区。

1.2 渠道级别划分

我国北方地区大中型灌区规模差异大，大到灌溉6.667×105hm2以上的耕地，小到灌溉666.667 hm2的耕地，使得不同灌区干支渠道流量存在较大的差距。在实际工程中，设计流量大于50 m3/s，当采用聚苯乙烯泡沫板防冻保温时，所选保温板厚度较大，施工难度也大；而设计流量小于1 m3/s的田间渠道，如果采用聚苯乙烯泡沫板防冻保温则不经济。因此，在调查研究的基础上，根据国家及地方规范标准以及建设管理办法等文件，综合考虑经济性及施工可行性，混凝土衬砌渠道保温防冻胀灌溉工程级别划分[7]为≥50 m3/s、20 m3/s～50 m3/s、5 m3/s～20m3/s、1 m3/s～5 m3/s四个级别。

1.3 渠道走向划分

北方灌区渠道走向通常为东西向、南北向、西北东南、东北西南，从试验与调查分析来看，西北东南、东北西南向渠道的聚苯乙烯泡沫保温板厚度介于东西向、南北向之间，实际应用中以东西向保温板厚度作为参考[8]。因此，渠道走向划分为东西和南北两个方向。

1.4 渠道部位划分

试验研究中，为了更能准确反映渠道边坡上下段的冻胀情况，试验设计为阴坡上、阴坡下、阳坡上、阳坡下、渠底等5个处理。试验结果也表明，5个处理的厚度不同，坡下大于坡上，按此结论进行工程建设也是最经济的，但大规模工程实际应用时，从材料选购、安装、接缝处理到上部衬砌等环节来看，施工难度加大，质量难以保障。因此，综合考虑技术性、经济性和和施工方便程度，不同厚度保温板的铺设部位划分为阴坡、阳坡、渠底[9]。

2 渠道防冻胀保温板适宜厚度

基于渠道防渗保温防冻胀技术应用情况调研、渠道保温防冻胀试验验证、渠道衬砌防冻胀应用耐久性评价及聚苯板厚度计算方法的验证，并根据《灌溉与排水工程设计规范》[10](GB 50288—1999)灌溉工程分级指标以及北方地区应用情况，按不同区域、不同渠道走向、不同流量大小总结渠道防渗保温适宜铺设厚度。

2.1 华北地区

在分析南水北调中线京石段渠道、河北石津灌区、山西潇河灌区和内蒙河套灌区等灌区渠道铺设聚苯板应用情况基础上，参考萧河灌区近30 a聚苯乙烯泡沫塑料板在渠道衬砌防冻胀中的应用评价结果[9]，通过内蒙河套灌区试验研究和理论计算验证，分析确定华北地区渠道铺设聚苯板适宜厚度见表1。

2.2 西北地区

在分析甘肃景电一期灌区、宁夏引黄灌区[7]、甘肃双塔灌区、新疆兵团农一师塔里木和沙井子灌区等灌区渠道铺设聚苯板应用情况基础上，通过在新疆布尔津河灌区[11]的试验和理论计算验证，提出西北地区基于地温、渠道走向及流量等级渠道铺设聚苯板适宜厚度如表2所示。

2.3 东北地区

东北地区主要分析了吉林白沙滩灌区、辽宁东港灌区[12]等灌区混凝土衬砌渠道聚苯乙烯泡沫板保温防冻胀应用情况，通过在黑龙江蛤蟆通灌区的试验和理论计算验证[13-14]，提出东北地区基于地温、渠道走向及流量等级渠道铺设聚苯板适宜厚度如表3所示。

表1 华北地区渠道铺设聚苯板适宜厚度

表2 西北地区渠道铺设聚苯板适宜厚度

表3 东北地区渠道铺设聚苯板适宜厚度

3 结 论

(1) 在北方地区渠道衬砌防冻胀应用中，保温板厚度是关键指标，考虑经济因素保温板的厚度应按照不同走向的渠坡(阴坡、阳坡)和渠底分别确定，厚度的确定以理论计算为基础，缺少基本资料不具备计算条件的可参考本文渠道铺设聚苯板适宜厚度成果。

(2) 在北方地区渠道防冻胀聚苯板适宜厚度在3 cm～12 cm之间。其中，华北地区：河北南部、山西、天津地区适宜厚度3 cm～8 cm，内蒙、北京、河北北部地区适宜厚度3 cm～10 cm；西北地区：陕西的北部、甘肃、宁夏、青海及新疆南部地区适宜厚度4 cm～8 cm，新疆北部地区6 cm～12 cm；东北地区：辽宁、吉林地区适宜厚度5 cm～11 cm，黑龙江地区适宜厚度8 cm～12 cm。

(3) 南北向渠道不分阴阳坡，可铺设相同厚度保温板；东西向渠道冻胀明显，铺设不同厚度保温板[15-16]；东北西南或西北东南渠道阴坡铺设保温板厚度参考东西向阴坡的铺设厚度、阳坡铺设保温板厚度参考南北向的阳坡铺设厚度。