渠道衬砌板地温监测与蓄水保温技术研究

刘广辉，范继友，任泽俭

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南250109）

1 渠道地温观测设施布置情况

1.1 明渠段衬砌渠道概况

山东南水北调济东明渠段工程呈东西走向，总长111.26 km，为沿小清河左岸新建明渠，混凝土全面断衬砌段长76.685 km，渠底宽9.1～13.5 m，渠道边坡内坡1∶2.25，外坡1∶2.0。工程设计流量50 m3/s，加大流量60 m3/s。选择桩号0-950～38+868段渠道进行衬砌板地温监测和蓄水保温试验研究，该段渠道底宽13.5 m，在距渠底4.5 m高处的渠口两侧设戗台，戗台宽0.5 m，戗台以下渠道衬砌边坡1∶2.25，设计水深3.0 m，输水渠道为全断面混凝土衬砌梯形渠道，渠道衬砌采用C20W8F200素混凝土。

渠底采用中粗砂反滤盲沟+透水管逆止排水防扬压，纵向伸缩缝沿输水渠方向布置，横向伸缩缝垂直于输水渠轴线布置，长度与输水渠横断面轮廓相同，横向伸缩缝每隔3.5 m设置一条，渠坡每隔28 m设一道横向通缝。渠坡结构型式有两种：衬砌型式I为渠坡板下换填碎石、中粗砂垫层防冻胀；衬砌型式II为渠坡板下铺设复合土工膜防渗（两布一膜）、膜下铺设聚苯乙烯泡沫板防冻胀。

1.2 渠道地温监测仪器的埋设位置

在渠道桩号12+000（衬砌型式I）、22+820（衬砌型式II）、38+000（衬砌型式II）断面分别布设安装了地温监测仪器。

渠道地温监测仪器采用铜电阻温度计，在渠道衬砌板以下，分两层布设。按照不同的渠坡结构型式，地温监测仪器的具体埋设位置也有所差别，在垂直衬砌板的方向上的埋设深度不同，如图1所示。

图1 渠道地温监测仪器布置图

1.3 渠道地温监测仪器的布设数量及埋设方式

对渠坡结构型式I，在砂石垫层以下5 cm和25 cm处各布置一层。在渠道左边坡上、下层上分别布置4个温度计，右边坡相同。底部上、下层分别布置3个温度计。全断面共计22个温度计。

对渠坡结构型式II，地温监测仪器有两种埋设方式：一种是在衬砌板和泡沫板之间布置一层，在保温板下部5 cm处布置一层；另一种是在泡沫保温板以下5 cm和25 cm处各布置一层。

2 渠道地温现场监测及结果分析

根据当地天气预报，2013年1月13日以后气温将回升，为获取当时的渠道地温最低值，2013年1月13～14日，对桩号12+000、桩号22+820、桩号38+000三个断面分别进行了渠道地温监测。

2.1 地温监测数据统计及曲线图

地温监测完成后，对监测的数据成果进行整理分析，形成了三个断面的渠道地温监测数据统计汇总结果，见表1。绘制渠道地温曲线图，如图2所示。

表1 渠道地温观测数据统计表℃

图2 渠道地温曲线图

2.2 渠道地温监测结果的初步分析

桩号22+820的上层温度计布置在泡沫保温板以上，该层温度计所测的数据不能反映渠道衬砌板以下基土层的温度，该层温度计数据与其他地温监测数据无可比性，排除这一组数据，其余绝大多数地温监测点的地温均在0℃以上，个别地温在0℃以下，最低监测数据也只有-0.81℃，且发生在渠道顶部戗台处。

由于渠道衬砌板的冻胀主要是由于地基土的冻胀引起的，渠道地基土的地温绝大多数在0℃以上，因此地基土就不会发生冻胀现象，衬砌板也不会出现冻胀破坏。经对渠道衬砌板现场实地观察，也未发现衬砌板存在冻胀破坏的情况，与地温监测结果相互吻合。

2.3 蓄水保温措施对渠道地温的作用及影响

渠道底部地温监测情况表明：桩号12+000渠道底部的地温与桩号22+820、桩号38+000渠道底部的地温相比，桩号12+000渠道的底部地温最高（最高值达4.5℃），且高于桩号12+000其他部位的地温；22+820处渠道底部的地温与桩号12+000相比较低，但高于桩号38+000；桩号38+000的渠道底部的地温最低（最低值为-0.6℃）。引起以上地温差异的主要因素是渠道蓄水时间和蓄水深度。桩号12+000渠道早在2012年11月份就已开始蓄水，蓄水深度约0.8～1.0 m；桩号22+820渠道于2012年12月底才开始蓄水，蓄水深度约0.1～0.2 m；桩号38+000渠道内没有蓄水。由此可见，渠道蓄水既能有效避免水位以下渠道地温的散失，又能防止严冬季节寒冷气流的侵袭，有利于渠道的防冻胀破坏。

2.4 渠道左坡与右坡地温比较分析

渠道左右两边坡地温的监测结果表明：两者地温没有明显差别，主要是采取了相应工程措施，加强了右坡的保温措施，如在桩号12+000断面，左坡的碎石垫层厚度为50 m m，而右坡的碎石垫层厚度加大为130 m m；在桩号22+820断面、桩号38+000断面，左坡的保温板厚度为20 m m，而右坡的保温板厚度加大为40 m m。这一措施缩小了左右坡地温差，遏制住了地温差增大的趋势。经观察左坡的积雪融化较快，主要是阳面日照相对较强、日照时间相对较长所致，并非阳面地温高造成的。

2.5 渠道衬砌戗台处地温分析

地温监测结果表明：渠道两侧衬砌板顶部戗台处的地温较低，尤其和渠坡地温比较，这一差别更为明显，主要是该部分衬砌板紧靠其外侧土壤的冻土层，受其影响和作用，导致其地温偏低。在发生极端严寒天气的情况下，戗台处很可能是发生渠道衬砌板冻胀破坏的主要部位，由于水位线影响，如果仅采取蓄水保温措施，不能起到保温作用。

2.6 桩号22+820上、下层温差的分析

由桩号22+820监测点观测到的数据可以发现，上层地温温度最低。之所以该层温度监测点的地温最低（绝大多数监测点温度均在0℃以下，最低值为-2.7℃），是由于温度计处于保温板的上部，所测温度不是保温板下的基土地温，而下层监测点的地温才能反映基土地温的实际情况。下层基土的地温绝大多数在0℃以上，最高值达3.3℃，因此不会发生衬砌板冻胀破坏的现象。该断面上下层温差平均为2.99℃，最大差值达5.4℃，泡沫保温板的厚度仅有20 m m和40 m m，两层温度计距离如此之近，而温差却如此之大，充分证明泡沫保温板的保温效果是显著的。而左坡温差平均为2.27℃，右坡的温差平均值为3.70℃，左坡的保温板厚度仅为20 mm，右坡的保温板厚度为40 mm，说明保温板的厚度对保温效果会产生明显的影响，见表2。

表2 桩号22+820地温温差分析表℃

2.7 桩号12+000、38+000上下层温差的分析

桩号12+000的温度计埋设在砂砾石垫层下部深5 cm和25 cm处，桩号38+000的温度计埋设在保温板下部深5 cm和25 cm处。监测结果显示，下层温度绝大多数都高于上层温度，即基土地温越往下越高。桩号12+000上下层温差的平均值为1.53℃，桩号38+000上下层温差的平均值为0.83℃，产生差别的原因在于桩号38+000在衬砌板下铺设保温板保温，桩号12+000在衬砌板下铺设的是砂砾石垫层，泡沫板的保温作用相对更好，基土上层温度散失较少，因此桩号38+000的上下层温差较小。由此可见泡沫板在渠道衬砌的运用中有较好的保温效果（见表3：桩号12+000地温温差分析表，表4：桩号38+000地温温差分析表）。

表3 桩号12+000地温温差分析表℃

表4 桩号38+000地温温差分析表℃

3 建议与结论

1）衬砌渠道戗台部位的管理保护。渠道衬砌板戗台处的地温较低，在工程运行后，输水位至戗台高差为1.5 m，戗台部位接近动态输水位，该部位会经常处于湿润状态，因此在冬季，应对戗台部位加强巡查和管理。

2）蓄水保温措施效果的监测和评价需进一步统计和完善。本次对地温监测结果的初步分析，是根据2013年1月13～14日的一次监测资料作出的，数据还不够充分。在以后的运行管理中要进一步观测统计，结合工程运行情况，制定科学的工程管理和工程运行的方法。

3）增加蓄水保温措施的必要性。由明渠段渠道地温监测结果可见，蓄水保温是有效防止渠道衬砌板冻胀、冻融的重要工程技术措施。蓄水保温措施对防止衬砌渠道在输水位以下的冻胀、冻融破坏是有效的，在工程运行管理、建设管理中应推广应用。

4）对跨冬季施工的渠道衬砌工程，应制定越冬施工计划，对衬砌渠道工程及时蓄水保温，蓄水位应接近渠道设计水位。增加衬砌渠道施工中的蓄水保温措施对渠道衬砌施工减少投资、提高质量具有较大意义。