任弘宇， 王 灝

(青海九○六工程勘察設(shè)計(jì)院,青海 西寧 810001)

高寒地區(qū)土地在冬季長(zhǎng)期處于冰凍狀態(tài)，輸水渠道受到低溫的影響出現(xiàn)破裂，襯砌遭到破壞的現(xiàn)象經(jīng)常遇到，使得渠道在輸水過(guò)程造成淡水資源的大量流失，嚴(yán)重浪費(fèi)水資源，因此，加強(qiáng)高寒地區(qū)輸水渠道防凍研究，了解其凍脹規(guī)律，進(jìn)行合適的渠道防凍措施意義重大。

隨著輸水渠道凍脹破壞的出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)于凍土破壞的研究逐漸增加，凍土學(xué)這一學(xué)科也得到快速的發(fā)展。國(guó)外很多國(guó)家使用鋼筋混凝土來(lái)代替普通的混凝土增加渠道的抗凍性能，但是造價(jià)較大?？紤]到材料熱脹冷縮，我國(guó)采用可以允許一定的凍脹移動(dòng)量的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工程施工，得到一定推廣[1]。但是對(duì)于渠道凍脹規(guī)律和使用防凍材料或者水工設(shè)施等方面的研究依然是研究的方向。吳紫汪和馬巍等人[2]對(duì)寒冷地區(qū)凍土的蠕變特性和抗凍強(qiáng)度進(jìn)行了相關(guān)研究，為后續(xù)研究提供參考。李寧[3]在前人的理論基礎(chǔ)上，提出了考慮土骨架與冰粒之間相互作用的有效應(yīng)力機(jī)理。沙際德等人[4]采用大量物理試驗(yàn)對(duì)材料的影響進(jìn)行研究，為凍土本構(gòu)模型和凍土建筑物的強(qiáng)度準(zhǔn)則提供了依據(jù)。徐紹新[5]對(duì)寒冷季節(jié)時(shí)凍土建筑物實(shí)際承受凍脹力的主要影響因素和影響范圍進(jìn)行了相關(guān)研究。李安國(guó)等人[6]在進(jìn)行了大量模擬計(jì)算和渠道實(shí)際觀測(cè)，對(duì)渠道溫度變化進(jìn)行了研究，提出了渠道凍深的計(jì)算方法。陳億忠[7]、姚東[8]、曾楚武[9]等人對(duì)渠道滲漏和設(shè)計(jì)過(guò)程中需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)研究。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)物理試驗(yàn)對(duì)高寒地區(qū)輸水渠道在寒冷季節(jié)時(shí)不同保溫層厚度作用下的溫度變化規(guī)律進(jìn)行研究，并提出最佳保溫層厚度。

1 試驗(yàn)布置

本文所研究輸水渠道所處環(huán)境常年溫度變化較大，屬于大陸性季風(fēng)氣候，夏季溫度較高，春秋季節(jié)相對(duì)較短，冬季嚴(yán)寒且時(shí)間較長(zhǎng)，寒暑溫差較大。平均每年的11月到第二年的3月溫度是零度以下，冬季最冷氣溫為-38.6℃、年平均氣溫為4.3℃。通過(guò)對(duì)該地近40 a氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)歷年出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象的平均時(shí)間為128 d，其中凍結(jié)現(xiàn)象最長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間可達(dá)149 d，最短時(shí)間依然可持續(xù)108 d，時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

為研究保溫層厚度對(duì)渠道保溫效果的影響，設(shè)置6個(gè)研究工況，1個(gè)無(wú)保溫層處理作為初始對(duì)比工況，5個(gè)不同的保溫層厚度分別為：2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm。對(duì)埋深分別為：0、20 cm、40 cm、80 cm、120 cm、160 cm、200 cm不同深度的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體布置見(jiàn)圖1。試驗(yàn)采用的保溫材料為聚氨酯保溫材料(見(jiàn)圖2a)。

試驗(yàn)土質(zhì)以黏土為主，為了避免側(cè)向邊壁凍結(jié)的影響，在兩側(cè)使用6 cm厚的保溫板進(jìn)行封閉，保證實(shí)驗(yàn)的精確度。使用18B20溫度傳感器圖2b進(jìn)行地溫的監(jiān)測(cè)，該儀器的觀測(cè)精度誤差為±0.5℃。土體凍脹量以及凍土分層使用水準(zhǔn)儀圖2c進(jìn)行監(jiān)測(cè)，3 d監(jiān)測(cè)1次，保證數(shù)據(jù)可以及時(shí)有效進(jìn)行采集。

在進(jìn)行試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)區(qū)的基土含水率進(jìn)行觀察，封凍前在達(dá)到最大凍深前，使用人工取樣的方法進(jìn)行取樣，對(duì)不同深度分層的土質(zhì)含水量進(jìn)行分析。邊坡凍脹量采用凍脹儀(圖2d)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以預(yù)設(shè)的固定樁作為基點(diǎn)，在基點(diǎn)位置安裝穩(wěn)定作用的三腳架和基尺，從基尺處引基線至整個(gè)邊坡面，然后使用尺，測(cè)量引出的基線到渠道兩側(cè)襯砌面板的垂直距離，并將測(cè)量的數(shù)值作為基值，進(jìn)行每次凍脹量的計(jì)算。

圖1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意

a 保溫板材料

b 溫度傳感器

c 水準(zhǔn)儀

d 凍脹儀探頭

2 結(jié)果分析

2.1 土壤含水率分析

在進(jìn)行試驗(yàn)之前對(duì)土壤含水率進(jìn)行基礎(chǔ)檢測(cè)，分別選取冰凍前和最大凍深兩個(gè)時(shí)刻土壤內(nèi)含水率的分布情況進(jìn)行分析(見(jiàn)圖3)。

圖3 不同時(shí)刻下層土體含水率示意

根據(jù)圖3可知，在經(jīng)歷了一個(gè)冬季后土體內(nèi)的含水率發(fā)生了變化幅度較大，因?yàn)橄聦油馏w水分在溫度變化時(shí)會(huì)向凍結(jié)鋒面移動(dòng)，形成冰夾層進(jìn)而導(dǎo)致該位置的土體體積變大，土體發(fā)生凍脹。在冰凍前土體的含水率深度相對(duì)較穩(wěn)定，分布在18.8%～25.8%之間，含水率均值為21.3%。經(jīng)歷凍脹影響，土體的含水率隨著深度的增加先增加后減小最后趨于穩(wěn)定，分布范圍在2.8%～37.7%之間，含水率均值為29.2%。

不同位置的下層土層含水率見(jiàn)表1。最大凍深時(shí)地面的含水率最小，大小為2.8%；在40 cm深度時(shí)土體含水率最大，大小為37.7%；隨后隨著深度變化逐漸減小，在1.2 m深度時(shí)降到21.9%，然后隨著深度的增加趨于不變，最終穩(wěn)定在22.3%。

表1 不同時(shí)刻各土層含水率 %

2.2 溫度分析

保溫板厚度分別為：0、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm 6種工況下不同深度的平均溫度見(jiàn)表2。

表2 不同深度平均低溫 ℃

根據(jù)表2可知，整體隨著測(cè)點(diǎn)深度的增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)土體的溫度平均值逐漸升高，這是由于在地表溫度接近大氣溫度，隨著深度的增加土層隔熱效果逐漸體現(xiàn)。但是，實(shí)際中土層的隔熱效果不一定滿足需要,會(huì)出現(xiàn)凍脹破壞，因此,需要設(shè)置保溫層。在保溫層為2 cm時(shí)，地表溫度為-2.5℃，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)保溫層厚度較厚時(shí)地表溫度明顯降低。因?yàn)楸貙雍穸容^薄時(shí)下層的溫度可能傳遞地面，保溫層溫度較厚時(shí)地下土體的溫度無(wú)法傳遞到地面，地面溫度與大氣溫度接近。隨著保溫層厚度的增加，同一深度內(nèi)地下土體的溫度逐漸升高，說(shuō)明保溫板厚度對(duì)地下土體溫度的分布有影響。

對(duì)不同保溫層厚度在不同深度位置對(duì)土體溫度提高的幅度進(jìn)行分析(見(jiàn)圖4)。

圖4 不同厚度保溫板平均提高溫度曲線

根據(jù)圖4可知，在地面保溫層厚度為2 cm時(shí)地面溫度有提升，因?yàn)楸貙雍穸容^薄，有溫度從地下傳遞到地面。當(dāng)保溫層厚度較大時(shí)，地下溫度無(wú)法傳遞到地面使得地面溫度降低，比沒(méi)有保溫層時(shí)地面的溫度還低，同時(shí)也說(shuō)明了保溫層厚度對(duì)土體內(nèi)部溫度的保護(hù)作用。隨著保溫層厚度的增加，地下土體溫度增加的幅度越來(lái)越大，同時(shí)土體的深度越靠近地面，增加的幅度就越明顯。這是因?yàn)榭拷孛鏁r(shí)土體溫度太低，保溫層的作用比較明顯；隨著深度的增加，土體溫度越來(lái)越高，同時(shí)距離保溫層的距離越來(lái)越遠(yuǎn)，作用相對(duì)就沒(méi)有靠近地面時(shí)增加的幅度大。

2.3 凍結(jié)深度分析

對(duì)不同保溫層厚度情況下，土體內(nèi)的最大凍結(jié)深度進(jìn)行分析(見(jiàn)圖5)。

圖5 不同保溫層厚度最大凍結(jié)深度變化曲線

根據(jù)圖5可知，隨著保溫層厚度的增加，土體的最大凍結(jié)深度先逐漸減小然后趨于穩(wěn)定。保溫層厚度為0、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm時(shí)對(duì)應(yīng)的凍結(jié)深度分別為：125 cm、60 cm、8 cm、0、0、0；凍結(jié)深度的消減率分別為：0、52%、93.6%、100%、100%、100%。

2.4 凍脹量分析

對(duì)保溫層厚度是0、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm時(shí)，土體的最大凍脹量，在長(zhǎng)達(dá)141 d的觀測(cè)周期內(nèi)隨時(shí)間變化曲線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析其變化過(guò)程(見(jiàn)圖6)。

圖6 不同保溫板厚度最大凍脹量變化曲線

根據(jù)圖6可知，隨著時(shí)間的增加，土體的最大凍脹量出現(xiàn)先增加后逐漸減小的變化趨勢(shì)。不同保溫層厚度土體張量明顯有區(qū)別。隨著保溫層厚度的增加，凍脹出現(xiàn)時(shí)間逐漸靠后，消失時(shí)間逐漸提前。保溫層厚度為0、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm時(shí)，出現(xiàn)凍脹的時(shí)間分別為：第4 d、第29 d、第60 d、沒(méi)有凍脹、沒(méi)有凍脹、沒(méi)有凍脹；凍脹量消失的時(shí)間分別為：第141 d、第128 d、第115 d、第0 d、第0 d、第0 d；最大凍脹量分別為：156 mm、86 mm、9 mm、0、0、0；保溫層厚度分別為2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm時(shí),對(duì)土體凍脹量的消減率分別為：44.9%、94.2%、100%、100%、100%。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高寒地區(qū)輸水渠道內(nèi)保護(hù)層厚度對(duì)土體的影響進(jìn)行了研究，分別從土體含水率、土體溫度、凍結(jié)深度和凍脹量進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

1) 冰凍前土體含水率比較穩(wěn)定，出現(xiàn)冰凍后土體含水率發(fā)生變化，最大含水率出現(xiàn)在地下40 cm位置處。

2) 隨著保溫層厚度的增加，同一深度內(nèi)地下土體的溫度逐漸升高；保溫板對(duì)土體提高的溫度逐漸增大，且接近地面效果越明顯。

3) 隨著保溫層厚度的增加，土體的最大凍結(jié)深度先逐漸減小然后趨于穩(wěn)定。保溫層厚度為：2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm時(shí)，凍結(jié)深度的消減率分別為：52%、93.6%、100%、100%、100%。

4) 隨著保溫層厚度的增加，凍脹出現(xiàn)時(shí)間逐漸靠后，結(jié)束時(shí)間逐漸提前。保溫層厚度是2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm時(shí)，對(duì)土體凍脹量的消減率分別為：44.9%、94.2%、100%、100%、100%。

5) 從節(jié)省材料、凍結(jié)深度、凍脹量、土體溫度等方面綜合考慮，保溫層厚度選擇6cm為最佳方式。