(新疆阜康市九運街鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，新疆 阜康 831501)

新疆自治區(qū)深處我國西北內(nèi)陸，社會經(jīng)濟相對落后，第一產(chǎn)業(yè)在全區(qū)經(jīng)濟總量中所占比重高達35%以上。大型灌區(qū)是現(xiàn)代化集約式農(nóng)業(yè)發(fā)展的典型代表，建國以來新疆大力發(fā)展灌區(qū)建設(shè)，目前已建成各類型灌區(qū)上百個。但由于凍脹破壞和受制于當(dāng)時施工水平，目前區(qū)內(nèi)很多灌區(qū)渠道灌溉系統(tǒng)損毀嚴重，因此做好渠道防凍脹是建設(shè)灌區(qū)的重要基礎(chǔ)。而聚苯乙烯保溫板技術(shù)則是當(dāng)前常用防凍脹技術(shù)。

1 工程概況

新疆阜康市氣候干旱，降雨量少，蒸發(fā)量大，屬資源性缺水地區(qū)，境內(nèi)的白楊河灌區(qū)、三工河灌區(qū)、四工河灌區(qū)共控制灌溉面積30.71萬畝，是重要的糧食生產(chǎn)基地。但以上三個灌區(qū)均建設(shè)于上世紀(jì)60年代，配套設(shè)施不完善，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，目前存在工程老化，干支渠道凍脹等問題，引水保證率低，因此必須對主要渠系進行改造，總長度合計40 km，而防凍脹破壞則是設(shè)計優(yōu)化的重點問題之一。

2 渠道產(chǎn)生凍脹原因分析

當(dāng)外界環(huán)境溫度低于0℃時，土體中的水分會向溫度較低區(qū)域移動，即發(fā)生“水分遷移”。這就造成土體的低溫區(qū)域含水分越來越多，當(dāng)超過其內(nèi)部空隙容量時(不同土質(zhì)其空隙率不同)，就會發(fā)生凍脹現(xiàn)象。由此可知發(fā)生凍脹需同時具備三個條件：溫度、水分、土質(zhì)[1]。

2.1 溫度

凍土對溫度變化非常敏感，產(chǎn)生凍脹的前提就是溫度低于0℃。凍土體中水分遷移速度、凍脹性強弱均直接受溫度影響，存在溫度梯度誘導(dǎo)是水分遷移的動力，梯度越明顯水分遷移越快。新疆大部分地區(qū)屬于季節(jié)性凍土，在12月份-2月份，阜康市多年平均溫度在-15℃左右，凍脹時間持續(xù)90 d左右，凍脹現(xiàn)象嚴重。

2.2 水分

土體中存在的液態(tài)水可分為重力水、結(jié)合水、細毛水三類，其中一部分水附著于土粒表面，這部分水之間存在較大分子間力，所以即使在溫度較低環(huán)境下也不會凍結(jié)[2]。如果土體中的水含量遠大于土粒表面所能附著的總水量，則多余的水分在溫度較低情況下就會發(fā)生凍結(jié)。此外，若土體有水源補給，水分遷移路徑短，則出現(xiàn)的凍脹量也往往較大。

2.3 土質(zhì)

土質(zhì)的粒度成分、礦物成分、密實度三大指標(biāo)影響著凍脹量及凍深，經(jīng)研究表明：(1)土質(zhì)粒徑越小，總表面積越大，發(fā)生凍脹現(xiàn)象越明顯；(2)礦物成分(石英、云母、長石等)含量越高，越容易發(fā)生凍脹；(3)在飽和度一定時，土體的密實度越大，其顆?？倲?shù)和導(dǎo)熱系數(shù)越大，孔隙率越小，凍結(jié)速率越大[3]。下表1列出了幾類土質(zhì)的凍脹系數(shù)，可供參考。項目區(qū)主要分布土壤類型為粉細砂、粉土，粘性土，凍脹系數(shù)在1.2左右。

表1 不同類型土的凍脹系數(shù)Ψ

3 聚苯乙烯保溫板防凍脹效果模擬分析

目前，渠道防凍脹措施主要有：改善渠基土質(zhì)(換填法)、改善隔熱條件(增加隔熱層)、改善渠道受力條件(加厚襯砌結(jié)構(gòu))等措施[4]，其中以改善隔熱條件措施最為簡單和顯著，因此阜康市三大灌區(qū)渠道防凍脹改造采用增設(shè)“聚苯乙烯保溫板”的防凍脹措施。下面通過數(shù)值模擬分析其作用效果是否滿足本項目的使用要求。

3.1 渠道模型的建立

阜康市三大灌區(qū)主干渠土質(zhì)均為粉質(zhì)壤土，經(jīng)測定屬強凍脹性土質(zhì)，凍脹參數(shù)見表2所示。最初灌區(qū)干渠采用梯形斷面，但現(xiàn)在已經(jīng)很少使用，考慮到施工簡單，在此選擇弧底坡腳梯形渠道作為新干渠施工方案(見圖1)。

表2 阜康市白楊河、三工河、四工河灌區(qū)渠基土凍脹參數(shù)

圖1 干渠斷面示意圖(單位：cm)

本項目采用ANSYS有限元分析軟件來模擬在增設(shè)不同厚度聚苯乙烯保溫板情況下，渠道混凝土襯砌的溫度變化[5]，共建立不同模型5個，詳見下表2，模擬深度為地面以下6.0 m。將土體和渠道看作一整體，模型共劃分為223個單元，每個單元再細分為8個塊體，完成有限單元劃分。

表3 本項目5個模擬模型 cm

3.2 凍脹模擬結(jié)果分析

3.2.1 位移場模擬結(jié)果分析

測定模型位移變化可以側(cè)面反映其凍脹量數(shù)值，圖2中虛線是未發(fā)生凍脹時的位置，實線是發(fā)生凍脹位移后的位置，其中圖中左側(cè)為陰坡位置，右側(cè)為陽坡位置。

圖2 模型1發(fā)生凍脹前后的干渠位置

由圖2可知：在不加任何厚度聚苯乙烯保溫板的情況下，干渠陰坡、陽坡、渠底三面均發(fā)生大幅度位移，尤其是渠底，發(fā)生了明顯鼓起。在這種情況下干渠襯砌結(jié)構(gòu)必然會發(fā)生大規(guī)模龜裂。

圖3 模型2發(fā)生凍脹前后的干渠位置

由圖3可知：干渠三面加入厚度均為6 cm聚苯乙烯保溫板后，陽面和渠底的位移量顯著降低，降低幅度可達50%以上，陰坡降幅較小，位移量較之無保溫板沒有明顯變化，也會發(fā)生龜裂現(xiàn)象。

圖4 模型3發(fā)生凍脹前后的干渠位置

由圖4可知：干渠三面加入厚度均為8 cm聚苯乙烯保溫板后，陽面和渠底的位移量已經(jīng)降至很低數(shù)值，不會有龜裂危險，而陰坡上部位移量較大，但由于靠近地表，凍脹量無法避免，除非將一定范圍土質(zhì)進行換填處理。

圖5 模型4發(fā)生凍脹前后的干渠位置

由圖5可知：干渠三面加入厚度均為10 cm聚苯乙烯保溫板后，干渠三面位移量變化和模型3幾乎一致，模型5的模擬結(jié)果也是如此(忽略不計)。由此可得：在阜康市灌區(qū)干渠防凍脹設(shè)計中，聚苯乙烯保溫板最優(yōu)厚度為8 cm，若小于此值，渠道陰坡依然產(chǎn)生較大位移量；若大于此值，防凍脹效果不明顯，經(jīng)濟性較差。

3.2.2 脆弱點凍脹模擬結(jié)果分析

經(jīng)過眾多學(xué)者總結(jié)大量實例，最終明確渠道易破壞脆弱點分別是：陰、陽坡頂點、靠近渠底1/3坡長處、坡腳處、渠底中心等7處[6]。以這些脆弱點為研究對象，分析各個模型襯砌面的凍脹量位移(藍色和紫色曲線分別代表模型1和2)。

(1)陰坡頂點處各模型凍脹量

圖6 陰坡頂點處各模型凍脹量曲線圖

由圖6可知：模型1和2陰坡頂點處的凍脹量較大，最高值均達到11 cm，說明保溫板厚度為6 cm時幾乎沒什么作用；而模型3-5凍脹量曲線高度重合，說明當(dāng)保溫板厚度達到8 cm后，無需再通過增厚保溫板來降低凍脹量。陰坡頂點處凍脹量最高達到4.2 cm，龜裂危險性較低，一般無需處理。

(2)陽坡1/3處各模型凍脹量

圖7 陽坡1/3處各模型凍脹量曲線圖

圖7的結(jié)果和圖6一致，只是陽坡1/3處的最大凍脹量較小，這和所處位置有關(guān)。由此從多個結(jié)果說明阜康市灌區(qū)干渠建設(shè)時，防凍脹措施采用“聚苯乙烯保溫板”時，設(shè)計厚度8 cm即可，若有必要，可將重要干渠段坡頂一定范圍土質(zhì)進行換填處理。

4 結(jié)語

引水渠道是構(gòu)成灌區(qū)的基礎(chǔ)，在水資源匱乏的新疆地區(qū)，引水利用率是評價渠道作用的重要指標(biāo)之一，聚苯乙烯保溫板是渠道建設(shè)最常用的防凍脹措施之一，為保證其經(jīng)濟性，必須要對保溫板厚度進行優(yōu)化設(shè)計，杜絕依靠增加板厚來提高防凍效果。阜康市地區(qū)干渠防凍脹保溫板最佳厚度為8 cm，可結(jié)合換填法對渠基進行處理。