聚苯板和聚氨酯板渠道保温防冻胀效果及经济性分析

赵彦琳， 吉 晔， 张 宏 ， 张宇峰 ， 沈莹莹

(1.杨凌职业技术学院， 陕西 杨凌 712100； 2.中国灌溉排水发展中心， 北京 100054)

1 研究背景

节水工程技术中，渠道的衬砌防渗对减少渠道的渗漏损失有显著效果[1]。渠道刚性衬砌在季节性冻土地区发生冻胀破坏的现象十分普遍，同时灌区效益低下、水资源浪费严重、运营管理困难等一系列渠道工程运行中的问题亟待解决[2-4]。在渠道刚性衬砌下铺设隔热材料层，可以对渠基土起到较好的保温效果，以防止渠道冻胀破坏[5]。在对渠道防冻胀材料研究中，曹永智等[6]结合怡铁干渠的防冻胀应用，总结了聚苯板的性能指标和选取方法；邢义川[7]研发了用于渠道保温防渗的新型卷材(SDM)，比传统保温材料施工方便且效果更好；宋玲等[8]对渠道保温材料的防冻胀功能、防渗性和耐久性等性能提出了针对性的要求；程满金等[9]结合工程试验，总结分析了渠道不同试验部位、不同试验条件下冻胀参数的变化规律和聚苯板的合理厚度；何武全等[10]提出了一种能满足渠道防冻胀要求的复合型聚氨脂保温板材，试验验证效果良好；郭靖等[11]采用ANSYS计算软件，模拟分析了不同厚度的聚乙烯苯板对渠系建筑物的温度场、位移场的影响。聚苯乙烯泡沫保温板(简称聚苯板)和硬质聚氨酯保温板(简称聚氨酯板)是目前工程中两种主要的保温板材，具有易于施工、轻质高强、绝热性能优越等特点[12]。

当前针对聚苯板和聚氨脂板在渠道保温防冻胀效果比较和经济性分析方面的研究较少。本文结合

黑龙江蛤蟆通灌区试验资料，对聚苯板和聚氨酯板的保温性能和经济性能进行了比较分析，可为两种材料在防冻胀应用中的推广起到指导作用。

2 材料与方法

2.1 试验渠道基本情况

在位于黑龙江省宝清县的蛤蟆通灌区总干渠(2+498～2+598 m)，进行了聚苯板和聚氨脂板保温防冻胀效果对比试验。当地属于中温季风气候，主要气象参数见表1。

表1 蛤蟆通灌区主要气象参数

2.2 试验方案

根据灌区的特点，试验渠道采用保温防冻胀结构型式，如图1所示[13]。设计了4种方案来比较两种材料的隔热保温效果，各试验方案渠道保温板铺设方式见表2。两种渠道保温材料的物理力学性能参数见表3。

图1 渠道防渗保温防冻胀结构型式

试验方案预制混凝土板/cm砂浆过渡层/cm聚乙烯塑料膜/mm试验段长度/cm保温材料及厚度方案1(对比段)1030.320无方案21030.315聚氨酯板4cm方案31030.315聚苯板8cm方案41030.315聚苯板10cm

表3 两种渠道保温材料的物理力学性能参数

2.3 观测内容及方法

地温试验观测点分别布设于每个试验段的阴坡(西坡)、阳坡(东坡)的1/3、2/3处，观测埋深分别为10 cm(保温板上表面)、30 cm(保温板下表面)及50 cm地层深度，使用铂电阴传感器采集不同保温板铺设方案下的基土地温数据(13 min/次)；冻胀量观测采用水准仪测量，每10 d测量一次观测点与基准点的高差。

3 结果与分析

3.1 不同方案地温变化特征分析

渠基土的冻胀过程与外界负气温的极值和持续时间直接相关。将渠坡1/3和2/3位置和相应位置处30及50 cm地下深度的地温，结合各试验方案编组描绘地温变化过程线，可直观地对比出在相同条件下不同方案渠基土的冻结时间、冻结历时和保温效果(图2)。

图2 2015-10-01-2016-05-01各试验方案地温极值过程线

方案1(对比段)未布设保温板，地温变化受外界气温的直接影响，温度波动剧烈，与气温值相近且渠基土发生了严重的冻胀破坏；采用了保温措施的2～4方案，其地温过程线与外温变化过程显著分离，在漫长的冻结期内，地温变化平缓，且基本处于0度线附近及以上，相较对比段，防冻胀效果十分明显；在保温板厚度相同的情况下，受日照遮阴和地下水位埋深影响，西坡(阴坡)比东坡(阳坡)温度偏低，渠坡2/3处比1/3处温度相对较低。

对于各保温方案，50 cm埋深处均未出现负温；30 cm埋深处，方案2和方案3东坡(阳坡)未出现负温，保温效果良好，西坡(阴坡)相对东坡平均温度较低，出现了轻微的短期冻结，但尚在允许的冻胀位移范围内，不至于发生破坏；方案2(4 cm聚氨酯板)和方案3(8 cm聚苯板)地温过程线基本重合，说明这两种方案虽选用了不同的保温材料，却获得了相近的保温效果，且从数值上可初步得出，同样的防冻胀要求下，聚氨脂板的选用厚度约为聚苯板厚度的1/2；方案4选用了较厚的10 cm聚苯板，在整个观测周期内并未出现负温，保温效果良好，也可和方案3的布设厚度形成规律性对比和相互验证。

由以上分析可以得到，允许一定范围的冻胀前提下，在蛤蟆通灌区及其相近地区，结合阴、阳坡和渠底的不同防冻胀要求，选用8～10 cm厚的聚苯板或不小于4 cm厚的聚氨脂板，可以满足渠道保防冻胀工程中经济和安全和需要。

3.2 不同方案冻胀量变化特征分析

对比段西坡的最大冻胀位移和融通后的残余冻胀位移量分别为14.3和10.1 cm，东坡冻胀量分别为9.9和3.7 cm，发生了严重的冻胀破坏；东坡的含水量低于西坡也是造成东坡冻胀量小于西坡的重要影响因素之一。采用了保温措施的渠段(方案2～4)渠坡冻胀量明显小于对比段，且方案2～4的最大冻胀量随保温效果的增强呈递减趋势，其中方案2(4 cm聚氨酯板)冻胀量略大于方案3(8 cm聚苯板)，方案4(10 cm聚苯板)融通后最大冻胀量只有0.6 cm，保温效果良好(表4)。

对不同方案冻胀量变化的特征分析可以得到，8 cm聚苯板的保温防冻胀效果基本与4cm聚氨酯板的的保温防冻胀效果相当；渠道冻胀量的主要影响因素为渠基土冻前含水量和冻结过程中的水分迁移；若能采取有效措施降低渠基土含水量，减弱或阻止水分在冻结期发生迁移，即可有效提高渠道保温防冻胀效果[14-15]。

表4 最大冻胀量统计表 cm

3.3 不同保温方案的经济性分析

为了便于进行相同条件下的投资分析比较，试验工程渠道，渠底采用与渠坡相同的防渗衬砌结构型式(图1)，以此分别计算各方案的投资进行比较(表5)。

表5 防冻胀衬砌渠道投资分析表

根据试验工程的经济分析可知，方案1(无保温) 单位面积投资为144.30元/m2，方案2、方案3、方案4的单位面积投资分别为189.11、184.92、202.06元/m2，与方案1相比，每平方米投资分别增加了31.06%、28.15%、40.02%。通过对地温和冻胀量的特征分析，4 cm厚的聚氨脂保温板和8 cm厚的聚苯板保温效果接近，但单位面积的投资分别为189.11和184.92元/m2，聚氨脂板略高。因此，聚氨脂保温板和聚苯板虽在材料的适用范围和应用技术条件上要求相同，但价格较高，经济性较差。

4 结 论

(1)无保温措施的防渗衬砌渠道，冻结期渠基土温度随外温的变化波动剧烈，负温极值与气温接近且发生了严重的冻胀破坏。将保温层与渠道刚性衬砌结构结合起来是削减渠基冻胀的有效措施。

(2)试验结果表明，4 cm厚的聚氨脂板在保温效果上与8 cm厚的聚苯板相当，且在蛤蟆通灌区及其相似地区，结合阴、阳坡和渠底的不同防冻胀要求，选用厚度8～10 cm的聚苯板或不小于4 cm的聚氨脂板，可以满足渠道保防冻胀工程中经济和安全的需要。

(3)进行相同防渗衬砌结构型式条件下的投资分析比较，方案2、方案3、方案4与方案1(对比段)相比，单位面积投资分别增加了31.06%、28.15%、40.02%。在实际应用中，聚氨脂板和聚苯板的技术要求相近，但聚氨脂板造价相对较高，可根据工程实际情况调查选用。