高寒地区输水渠道防冻优化设计研究

任弘宇， 王 灏

(青海九○六工程勘察设计院,青海 西宁 810001)

高寒地区土地在冬季长期处于冰冻状态，输水渠道受到低温的影响出现破裂，衬砌遭到破坏的现象经常遇到，使得渠道在输水过程造成淡水资源的大量流失，严重浪费水资源，因此，加强高寒地区输水渠道防冻研究，了解其冻胀规律，进行合适的渠道防冻措施意义重大。

随着输水渠道冻胀破坏的出现，国内外众多学者对于冻土破坏的研究逐渐增加，冻土学这一学科也得到快速的发展。国外很多国家使用钢筋混凝土来代替普通的混凝土增加渠道的抗冻性能，但是造价较大。考虑到材料热胀冷缩，我国采用可以允许一定的冻胀移动量的标准进行工程施工，得到一定推广[1]。但是对于渠道冻胀规律和使用防冻材料或者水工设施等方面的研究依然是研究的方向。吴紫汪和马巍等人[2]对寒冷地区冻土的蠕变特性和抗冻强度进行了相关研究，为后续研究提供参考。李宁[3]在前人的理论基础上，提出了考虑土骨架与冰粒之间相互作用的有效应力机理。沙际德等人[4]采用大量物理试验对材料的影响进行研究，为冻土本构模型和冻土建筑物的强度准则提供了依据。徐绍新[5]对寒冷季节时冻土建筑物实际承受冻胀力的主要影响因素和影响范围进行了相关研究。李安国等人[6]在进行了大量模拟计算和渠道实际观测，对渠道温度变化进行了研究，提出了渠道冻深的计算方法。陈亿忠[7]、姚东[8]、曾楚武[9]等人对渠道渗漏和设计过程中需要注意的问题进行了相关研究。

本文在前人的研究基础上，通过物理试验对高寒地区输水渠道在寒冷季节时不同保温层厚度作用下的温度变化规律进行研究，并提出最佳保温层厚度。

1 试验布置

本文所研究输水渠道所处环境常年温度变化较大，属于大陆性季风气候，夏季温度较高，春秋季节相对较短，冬季严寒且时间较长，寒暑温差较大。平均每年的11月到第二年的3月温度是零度以下，冬季最冷气温为-38.6℃、年平均气温为4.3℃。通过对该地近40 a气温进行统计，该地区历年出现冻结现象的平均时间为128 d，其中冻结现象最长持续时间可达149 d，最短时间依然可持续108 d，时间相对较长。

为研究保温层厚度对渠道保温效果的影响，设置6个研究工况，1个无保温层处理作为初始对比工况，5个不同的保温层厚度分别为：2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm。对埋深分别为：0、20 cm、40 cm、80 cm、120 cm、160 cm、200 cm不同深度的温度进行监测，具体布置见图1。试验采用的保温材料为聚氨酯保温材料(见图2a)。

试验土质以黏土为主，为了避免侧向边壁冻结的影响，在两侧使用6 cm厚的保温板进行封闭，保证实验的精确度。使用18B20温度传感器图2b进行地温的监测，该仪器的观测精度误差为±0.5℃。土体冻胀量以及冻土分层使用水准仪图2c进行监测，3 d监测1次，保证数据可以及时有效进行采集。

在进行试验前对试验区的基土含水率进行观察，封冻前在达到最大冻深前，使用人工取样的方法进行取样，对不同深度分层的土质含水量进行分析。边坡冻胀量采用冻胀仪(图2d)进行监测，以预设的固定桩作为基点，在基点位置安装稳定作用的三脚架和基尺，从基尺处引基线至整个边坡面，然后使用尺，测量引出的基线到渠道两侧衬砌面板的垂直距离，并将测量的数值作为基值，进行每次冻胀量的计算。

图1 试验测点布置示意

a 保温板材料

b 温度传感器

c 水准仪

d 冻胀仪探头

2 结果分析

2.1 土壤含水率分析

在进行试验之前对土壤含水率进行基础检测，分别选取冰冻前和最大冻深两个时刻土壤内含水率的分布情况进行分析(见图3)。

图3 不同时刻下层土体含水率示意

根据图3可知，在经历了一个冬季后土体内的含水率发生了变化幅度较大，因为下层土体水分在温度变化时会向冻结锋面移动，形成冰夹层进而导致该位置的土体体积变大，土体发生冻胀。在冰冻前土体的含水率深度相对较稳定，分布在18.8%～25.8%之间，含水率均值为21.3%。经历冻胀影响，土体的含水率随着深度的增加先增加后减小最后趋于稳定，分布范围在2.8%～37.7%之间，含水率均值为29.2%。

不同位置的下层土层含水率见表1。最大冻深时地面的含水率最小，大小为2.8%；在40 cm深度时土体含水率最大，大小为37.7%；随后随着深度变化逐渐减小，在1.2 m深度时降到21.9%，然后随着深度的增加趋于不变，最终稳定在22.3%。

表1 不同时刻各土层含水率 %

2.2 温度分析

保温板厚度分别为：0、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm 6种工况下不同深度的平均温度见表2。

表2 不同深度平均低温 ℃

根据表2可知，整体随着测点深度的增加，监测点土体的温度平均值逐渐升高，这是由于在地表温度接近大气温度，随着深度的增加土层隔热效果逐渐体现。但是，实际中土层的隔热效果不一定满足需要,会出现冻胀破坏，因此,需要设置保温层。在保温层为2 cm时，地表温度为-2.5℃，进一步观察发现，当保温层厚度较厚时地表温度明显降低。因为保温层厚度较薄时下层的温度可能传递地面，保温层温度较厚时地下土体的温度无法传递到地面，地面温度与大气温度接近。随着保温层厚度的增加，同一深度内地下土体的温度逐渐升高，说明保温板厚度对地下土体温度的分布有影响。

对不同保温层厚度在不同深度位置对土体温度提高的幅度进行分析(见图4)。

图4 不同厚度保温板平均提高温度曲线

根据图4可知，在地面保温层厚度为2 cm时地面温度有提升，因为保温层厚度较薄，有温度从地下传递到地面。当保温层厚度较大时，地下温度无法传递到地面使得地面温度降低，比没有保温层时地面的温度还低，同时也说明了保温层厚度对土体内部温度的保护作用。随着保温层厚度的增加，地下土体温度增加的幅度越来越大，同时土体的深度越靠近地面，增加的幅度就越明显。这是因为靠近地面时土体温度太低，保温层的作用比较明显；随着深度的增加，土体温度越来越高，同时距离保温层的距离越来越远，作用相对就没有靠近地面时增加的幅度大。

2.3 冻结深度分析

对不同保温层厚度情况下，土体内的最大冻结深度进行分析(见图5)。

图5 不同保温层厚度最大冻结深度变化曲线

根据图5可知，随着保温层厚度的增加，土体的最大冻结深度先逐渐减小然后趋于稳定。保温层厚度为0、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm时对应的冻结深度分别为：125 cm、60 cm、8 cm、0、0、0；冻结深度的消减率分别为：0、52%、93.6%、100%、100%、100%。

2.4 冻胀量分析

对保温层厚度是0、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm时，土体的最大冻胀量，在长达141 d的观测周期内随时间变化曲线进行统计，分析其变化过程(见图6)。

图6 不同保温板厚度最大冻胀量变化曲线

根据图6可知，随着时间的增加，土体的最大冻胀量出现先增加后逐渐减小的变化趋势。不同保温层厚度土体张量明显有区别。随着保温层厚度的增加，冻胀出现时间逐渐靠后，消失时间逐渐提前。保温层厚度为0、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm时，出现冻胀的时间分别为：第4 d、第29 d、第60 d、没有冻胀、没有冻胀、没有冻胀；冻胀量消失的时间分别为：第141 d、第128 d、第115 d、第0 d、第0 d、第0 d；最大冻胀量分别为：156 mm、86 mm、9 mm、0、0、0；保温层厚度分别为2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm时,对土体冻胀量的消减率分别为：44.9%、94.2%、100%、100%、100%。

3 结语

本文对高寒地区输水渠道内保护层厚度对土体的影响进行了研究，分别从土体含水率、土体温度、冻结深度和冻胀量进行分析，得出结论如下：

1) 冰冻前土体含水率比较稳定，出现冰冻后土体含水率发生变化，最大含水率出现在地下40 cm位置处。

2) 随着保温层厚度的增加，同一深度内地下土体的温度逐渐升高；保温板对土体提高的温度逐渐增大，且接近地面效果越明显。

3) 随着保温层厚度的增加，土体的最大冻结深度先逐渐减小然后趋于稳定。保温层厚度为：2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm时，冻结深度的消减率分别为：52%、93.6%、100%、100%、100%。

4) 随着保温层厚度的增加，冻胀出现时间逐渐靠后，结束时间逐渐提前。保温层厚度是2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm时，对土体冻胀量的消减率分别为：44.9%、94.2%、100%、100%、100%。

5) 从节省材料、冻结深度、冻胀量、土体温度等方面综合考虑，保温层厚度选择6cm为最佳方式。