張 棟，銀英姿，楊宏志

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

聚氨酯保溫板在內(nèi)蒙古臨河南邊渠試驗場中的應(yīng)用研究

張 棟1，銀英姿1，楊宏志2

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

在我國北方的季節(jié)性凍土地區(qū)，凍害是防滲襯砌渠道面臨的難題之一，其中凍脹破壞最為嚴(yán)重，分布比較廣泛且對輸水工程的危害程度較大，因此研究渠道凍脹的破壞機理和防治措施是亟待解決的重要工程技術(shù)問題。本試驗通過在內(nèi)蒙古臨河地區(qū)南邊分干渠做聚氨酯保溫板的防凍脹試驗，分析各種保溫板厚度下各層基土的地溫、凍深、含水率和凍脹量等影響凍脹變化因素的規(guī)律及其特征，總結(jié)出了該地區(qū)素混凝土襯砌渠道中聚氨酯保溫材料的防凍脹破壞方案。結(jié)果顯示：采用聚氨酯保溫板防凍脹技術(shù)可以有效地減少凍脹作用對渠道剛性襯砌材料的破壞，確保襯砌的穩(wěn)定，渠道安全地運行，同時也為后續(xù)剛性襯砌渠道中聚氨酯保溫材料厚度施工設(shè)計提供了技術(shù)支持。

聚氨酯保溫板；內(nèi)蒙古臨河南邊渠；保溫試驗；應(yīng)用研究

北方季節(jié)性凍土地區(qū)，冬季凍結(jié)時間長，氣溫寒冷，輸水渠道基土容易產(chǎn)生凍脹。凍結(jié)期過后，氣溫回升，基土又消融，在這種凍融循環(huán)情況下剛性渠道混凝土襯砌極易產(chǎn)生凍脹破壞。美國、俄羅斯、日本等發(fā)達(dá)國家采用“抵抗”凍脹的技術(shù)措施，用鋼筋混凝土取代素混凝土，并采取一些輔助設(shè)施，其防滲防凍效果好，但工程造價高，不適合當(dāng)前我國的國情[1]。近年來，為解決渠道防滲抗凍脹問題，我國一些科研單位進(jìn)行了大量的試驗研究，取得了許多成果和技術(shù)經(jīng)驗：王正中、陳濤等分析了渠道襯砌的主要破壞時段和破壞部位的分布規(guī)律及其形成原因[2-6]；王正中、余書超等對渠道襯砌凍脹破壞的力學(xué)模型進(jìn)行了探討[7-9]；寧建國等建立含損傷的凍土本構(gòu)模型[10]；李爽等對渠道凍脹破壞進(jìn)行了有限元分析[11-12]；吉林省灌區(qū)渠道使用開發(fā)出的新型土工復(fù)合材料，既防滲又防凍[13-15]；黑龍江省香磨山灌區(qū)在支渠和斗渠上采用PP纖維混凝土襯砌防治了凍害[13]；內(nèi)蒙古河套灌區(qū)在干渠上使用模袋混凝土襯砌、聚苯乙烯保溫板等保溫措施都取得了良好的效果[16-17]。

本試驗在內(nèi)蒙古臨河地區(qū)南邊分干渠平面試驗場進(jìn)行，將目前渠道中正在被大力推廣的一種新型保溫材料—硬質(zhì)聚氨酯保溫板鋪設(shè)在混凝土襯砌體下面，利用其導(dǎo)熱系數(shù)低的優(yōu)點改變和控制基土周圍熱量的輸入和輸出，人為影響凍土結(jié)構(gòu)，從而減輕或消除基土的凍深和凍脹，通過做現(xiàn)場凍脹試驗，分析試驗數(shù)據(jù)，探求該地區(qū)渠道襯砌中聚氨酯保溫板的適用條件。

1 試驗概況

南邊分干渠平面試驗場位于內(nèi)蒙古臨河地區(qū)雙河鎮(zhèn)，該地區(qū)屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，冬季寒冷而漫長，夏季短促溫?zé)?，降水量稀少，蒸發(fā)強烈，干燥多風(fēng)，晝夜溫差大。表層土主要是粘土，厚度一般為3～5 m，下部土以粉砂為主，屬于強凍性質(zhì)的土壤。土壤凍結(jié)始于每年的11月中旬，凍土層厚度1.0～1.3 m，次年5月上旬凍土層全部消融，凍融歷時160 d左右，試驗場土壤性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 試驗場土壤性質(zhì)參數(shù)

試驗所用聚氨酯硬質(zhì)泡沫板是一種優(yōu)質(zhì)的隔熱保溫材料，具有自重輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水性小、耐老化、運輸施工方便等特點，聚氨酯保溫新材料性質(zhì)參數(shù)[18]見表2。

表2 聚氨酯保溫板參數(shù)

襯砌渠道采用聚氨酯保溫措施，就是利用保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)低的性能改變和控制渠道襯砌基土周圍熱量的輸入、輸出及轉(zhuǎn)化過程，人為地影響凍土結(jié)構(gòu)，使凍土內(nèi)部的水熱耦合作用在時間上、空間上向不利于凍脹的方向發(fā)展、變化。具體表現(xiàn)在：① 提高凍結(jié)區(qū)的地溫；② 推延凍結(jié)的進(jìn)程，減緩凍結(jié)速率，削減凍深；③ 減少水分遷移量，降低凍土中的冰含量；④ 削減凍脹量。

圖1 現(xiàn)場試驗平面圖

Fig.1 The field test diagram, Lin-he

圖2 試驗場布置圖

Fig.2 The test layout diagram

2 試驗方案

2.1 試驗設(shè)計

由于凍土力學(xué)很復(fù)雜，土的凍脹是一個多場同時耦合的結(jié)果，在軟件模擬計算中很多影響因素都不考慮，計算結(jié)果很難反映出實際情況。由于各地區(qū)氣候、土質(zhì)、地下水位等情況的不同，目前渠道混凝土襯砌防凍脹保溫板厚度的確定還沒有形成成熟的理論體系，很多地區(qū)只是根據(jù)各地區(qū)大量的凍脹試驗及經(jīng)驗來確定保溫板的厚度，其厚度的選定直接關(guān)系到工程質(zhì)量和經(jīng)濟效益，需慎重對待。

試驗?zāi)康氖菫榱颂角笃矫鎯雒浽囼瀳鰞?nèi)素混凝土襯砌下各種厚度聚氨酯保溫板的保溫效果，揭示本地區(qū)基土凍結(jié)、凍脹規(guī)律，為優(yōu)化渠道襯砌防凍脹設(shè)計提供基礎(chǔ)依據(jù)。

平面凍脹試驗場位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)永濟灌域南邊分干渠二閘管理段附近，試驗場面積為14×14 m2，試驗場中共設(shè)置7種方案，其中6種為不同厚度聚氨酯保溫板方案，最后一種為無保溫處理的對比段，每種方案面積均為4×4 m2，各方案之間間隔1 m，試驗場各方案平面布置如圖2所示。每種方案上砌筑6 cm厚預(yù)制混凝土砌塊，混凝土砌塊下鋪設(shè)3 cm厚M10砂漿墊層，各方案中聚氨酯保溫板鋪設(shè)厚度見表3。

表3 聚氨酯保溫板鋪設(shè)厚度方案

在試驗場內(nèi)布設(shè)1組分層凍脹量觀測裝置，分層凍脹量的埋置深度分別為0、20、40、60、80、100、120 cm共7層，安裝丹尼林凍土器1套，自動氣象站1套。試驗中主要觀測內(nèi)容有：基土的分層凍脹量、基土的分層溫度場、襯砌凍脹量值、地下水位變化過程、基土含水率等內(nèi)容。

2.2 施工質(zhì)量控制

首先按照各方案中聚氨酯保溫板的鋪設(shè)厚度人工進(jìn)行場地平整及修理，然后埋設(shè)各種監(jiān)測儀器，待全部監(jiān)測儀器埋設(shè)完成后進(jìn)行不同保溫材料以及襯砌材料的鋪設(shè)。保溫材料鋪設(shè)時注意塊與塊之間的銜接，不得留有間隙，應(yīng)緊密，防止因鋪設(shè)時人為造成的縫隙使冷空氣進(jìn)入。

試驗方案在實施過程中要嚴(yán)格按照規(guī)范[19]施工，每一道施工工序都要嚴(yán)格把關(guān)，切實做到“安全、標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)真”的原則。本試驗從基土整平、夯實、埋設(shè)地溫傳感器、鋪設(shè)防水聚乙烯薄膜、鋪設(shè)聚氨酯保溫板到最后砂漿墊層、混凝土襯砌板整個過程中，任何一個環(huán)節(jié)都要標(biāo)準(zhǔn)化施工。只有在前期施工過程嚴(yán)格控制，后期進(jìn)入凍脹期后才可以較準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)，精確地分析結(jié)果。

2.3 現(xiàn)場監(jiān)測

2.3.1 觀測時間 試驗觀測時間為2014年11月15日起至2015年4月15日，歷時5個月。

2.3.2 監(jiān)測方法

1) 基土含水率監(jiān)測。

基土含水率監(jiān)測分儀器自動化采集網(wǎng)絡(luò)傳輸與人工鉆孔取樣兩種形式。采用土壤水分傳感器自動化監(jiān)測，每30 min采集數(shù)據(jù)一次，網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)至接收平臺(計算機)中。人工鉆孔取樣在凍結(jié)期分三次進(jìn)行，分別為在封凍前及達(dá)到最大凍深時和凍融結(jié)束后，采用烘干法測定不同深度土質(zhì)含水量，分析凍結(jié)過程中水分遷移情況。

2) 地下水位的監(jiān)測。

地下水觀測井井管材料為PVC管材，口徑110 mm，井深4 m。井口高出保護(hù)房地面0.3 m，井管濾水管長度2 m，在凍深1.5 m范圍內(nèi)設(shè)有護(hù)套管防止井管凍拔。采用自計水位計自動采集水位變化。

3) 基土地溫(凍結(jié)深度)監(jiān)測。

地溫監(jiān)測采用18B20溫度傳感器，觀測精度±0.5℃。溫度采集深度保溫措施分5層，分別為表層、保溫板上(9 cm處)、保溫板下(19 cm處)、30 cm和50 cm處；對比段分7層，為表層、板下(9 cm處)、19 cm、30 cm、50 cm、75 cm和100 cm處。通過自動化采集系統(tǒng)及GPRS網(wǎng)絡(luò)完成地溫數(shù)據(jù)的監(jiān)測、傳輸、儲存，數(shù)據(jù)采集時間間隔為30分鐘，采集系統(tǒng)放在保護(hù)房內(nèi)。

4) 基土凍融變形量監(jiān)測。

不同保溫板厚度試驗總凍脹量以及基土分層凍脹量用水準(zhǔn)儀監(jiān)測，埋設(shè)凍脹量基準(zhǔn)樁，基準(zhǔn)樁為4分鐵管，外套為6分PVC塑料管，內(nèi)外管間充填黃油。總凍脹量和分層凍脹量每5天監(jiān)測1次，分層凍脹量的埋置深度分別為0、20、40、60、80、100、120、150 cm。

3 成果分析

3.1 地下水位的分析

圖3為試驗場地下水埋深變化過程線，由圖得出：試驗場封凍前地下水在0.3 m左右，到1月25日地下水埋深達(dá)到最大1.6 m，之后地下水位又回升，在凍結(jié)過程中，試驗場地下水位降幅1.3 m。

圖3 試驗場地下水位變化過程線

Fig.3 Change of the underground water level at the proving ground

圖4 試驗場對比段含水率分布

Fig.4 Moisture content distribution at non-thermal insulation at the proving ground

3.2 含水率分析

一般情況下，強凍脹性土質(zhì)在凍結(jié)過程中都會有水分重分布的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在下層土中的水分向上層凍結(jié)鋒面遷移，形成冰夾層或冰透鏡體，使土體體積增大，宏觀上表現(xiàn)出土體表面發(fā)生凍脹。在相同的凍結(jié)環(huán)境下，土體的性質(zhì)和地下水位決定了凍結(jié)過程中水分遷移量的多少，也決定了土體凍脹量的大小。圖4為無保溫措施的對比段各層基土在封凍前及達(dá)到最大凍深時和凍融結(jié)束后的含水率分布，圖中試驗場對比段表層40 cm基土范圍內(nèi)在凍結(jié)期前后水分重分布的現(xiàn)象非常明顯，水分遷移量約達(dá)到15%。

采用聚氨酯保溫板后，板下基土溫度環(huán)境發(fā)生變化，溫度梯度變小，使基土中水分向凍結(jié)鋒面遷移能力減弱，凍結(jié)鋒面推進(jìn)變緩，在時空上造成不利于水分遷移的條件，從而減緩了基土的凍脹變化。圖5為8 cm厚聚氨酯保溫板下各層基土凍結(jié)前后含水率分布圖。

圖5 試驗場8 cm聚氨酯保溫下含水率分布

Fig.5 Moisture content distribution at 8 cm thick polyurethane board at the proving ground

圖6 試驗場各方案保溫下地溫過程線

Fig.6 Change line of ground temperature at the proving ground

3.3 地溫分析

圖6為試驗場各方案保溫下地溫變化過程線，從圖中看出：在凍結(jié)期，地溫隨著時間推移呈下降趨勢，在2月中旬地溫開始回升，此時在對比段70 cm處地溫降到0℃以下，最大凍深值達(dá)到71.5 cm，3月上旬開始消融，表層地溫迅速升高，對比段30 cm范圍內(nèi)地溫受氣溫波動影響較為敏感，地溫升降變化比較明顯。在整個凍結(jié)期內(nèi)對比段保溫下地溫變化非常明顯，其余各種保溫措施下地溫變化卻緩慢，而且隨著保溫板厚度的增加，基土溫度越來越高。在整個凍結(jié)期內(nèi)，2 cm聚氨酯保溫下最低地溫為-1.1℃，3 cm聚氨酯保溫下最低地溫為0℃，其余厚度的聚氨酯保溫板下沒有出現(xiàn)負(fù)溫。

3.4 凍脹量分析

圖7為對比段表層凍脹量變化過程線，圖8為各保溫措施下表層凍脹量變化過程線。在整個凍結(jié)期內(nèi)，無保溫措施的對比段凍脹量變化很明顯，最大達(dá)到20.1 cm，隨著保溫板厚度的增加，凍脹量越來越小。當(dāng)保溫板厚度達(dá)到6 cm時，最大凍脹量僅為0.2 cm。與對比段相比，2、3、4、5、6、8 cm厚保溫板方案產(chǎn)生凍脹的時間分別推遲了7、15、20、30、45、65 d，凍脹削減率均達(dá)到96%以上，保溫效果良好。表4為各方案下凍脹量特征值。

圖7 試驗場對比段凍脹量變化過程線

Fig.7 Change of frost heave amount at non-thermal insulation at the proving ground

圖8 試驗場保溫方案凍脹量變化過程線

Fig.8 Change of the frost heave amount at therm at the proving groundal insulation

表4 各方案下凍脹量特征值

3.5 凍深分析

圖9為試驗場對比段凍深變化過程線，圖10為各保溫措施下凍深變化過程線。從2014年11月中旬地表開始封凍，到2015年2月上旬達(dá)到最大凍深，對比段最大凍深為71.5 cm，2 cm聚氨酯保溫板下最大凍深為19.5 cm， 3月上旬開始消融， 至5月上旬融通。兩圖凍深線對比，在凍結(jié)期使用聚氨酯保溫板后對凍結(jié)鋒面的推進(jìn)明顯起到了抑制作用，起始凍結(jié)時間推遲，凍結(jié)速率也減??；在消融階段，由于保溫板的保溫隔熱作用，阻礙了基土與大氣之間的熱交換，消融速度也減緩。各方案凍深特征值見表4。

圖9 試驗場對比段凍深變化過程線

Fig.9 Change of frost line at non-thermal insulation

圖10 試驗場保溫方案凍深變化過程線

Fig.10 Change of frost line at thermal insulation

4 結(jié) 論

1) 通過內(nèi)蒙古臨河地區(qū)南邊渠平面試驗場試驗，在混凝土襯砌板下鋪設(shè)2、3、4、5、6、8 cm厚的聚氨酯保溫板，最大法向凍脹量分別削減96.02%、97.01%、97.51%、98.51%、99%、99.5%，凍深分別削減72.73%、73.57%、76.22%、76.78%、75.94%、76.92%，凍脹量都在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，說明采用此規(guī)格的聚氨酯保溫板可以明顯削減凍脹量、凍深、提高基土地溫、抑制基土中水分遷移，此方法技術(shù)可行，經(jīng)濟合理，施工方便，可在水利工程中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

2) 在實際渠道中考慮到日照及遮陰程度、地下水等因素需要進(jìn)行修正，該地區(qū)最大凍深為71.5 cm時，參照抗凍脹設(shè)計規(guī)范[19]取值，凍深修正系數(shù)取1.12，設(shè)計凍深平均值為80 cm，保溫板厚度(設(shè)計凍深1/15～1/10)取6～8 cm，即可防止本地區(qū)襯砌板的凍脹破壞。

3) 使用該種規(guī)格的聚氨酯保溫板，平均1 cm厚聚氨酯板削減凍深12 cm，削減凍脹量5 cm。根據(jù)前人的研究成果及工程技術(shù)經(jīng)驗，在實際渠道保溫施工中聚氨酯保溫板的厚度不宜太薄，一般不小于3 cm。

4) 本試驗研究對實際工程應(yīng)用提供參考，在現(xiàn)場施工時要注意保溫板之間的銜接，不得留有間隙，同時在保溫板上下面各鋪設(shè)一層防水的聚乙烯薄膜，防止保溫板受潮或吸水影響其保溫性能，同時也可以防滲和防止冷空氣的進(jìn)入。

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Application research polyurethane thermal insulation plate in the south canal of Lin-he, inner mongolia

ZHANG Dong1, YIN Ying-zi1, YANG Hong-zhi2

(1.TheSchoolofArchitectureandCivilEngineering,InnerMongoliaUniversityofScience&Technology,Baotou,InnerMongolia014010,China;2.InnerMongolianAutonomousRegionResearchInstituteonHydraulicSciences,Hohhot,InnerMongolia010020,China)

In China's seasonal frozen soil region, frostheaving, a tough problem encountered by concrete lining canal, is widely distributed and does great harm to water conveyance project. To explore its damage mechanism and control measures is of great importance. Through the site test on polyurethane thermal insulation plate in the south canal of Lin-he, Inner Mongolia, this paper explores the changing rules and features of the ground temperature, frozen depth, moisture content and frost heave amount with treatments of boards of different thickness, with the anti-freeze expansion plan for the concrete lining channel in this region. The results showed that polyurethane thermal insulation plate could effectively reduce the frost heave damage to rigid lining material of canal, ensure the stability of lining and the safety of canal, which will be of value for the selection of thickness of insulation materials in the rigid lining canal.

polyurethane thermal insulation plate; the south canal of Lin-he, Inner Mongolia; thermal insulation test; application research

1000-7601(2017)02-0195-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.32

2015-12-07基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項目(2013MS0717)；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目(201301094)

張 棟(1992—)，男，山西忻州人，碩士生，研究方向為巖土工程。E-mail：1404905430@qq.com。

銀英姿(1968—)，女，內(nèi)蒙古包頭人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為水工建筑物凍害防治。 E-mail:811489571@qq.com。

TV41

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