郭彥芬 霍軼珍 王文達 程滿金

摘要：該文通過監(jiān)測到的數(shù)據(jù)來對各處理渠道的凍脹機理進行分析研究，選出適合河套灌區(qū)渠道的模袋砼與保溫材料理想厚度分配與組合方案，力求尋找出能使渠道受凍脹量減少，基土地溫提高，凍土深度變小的厚度組合，為河套灌區(qū)骨干渠道將來在使用模袋混凝土與其他襯砌材料選擇方面提供科學(xué)依據(jù)。[請修改至與英文摘要一致的中文摘要。]

關(guān)鍵詞：楊家河干渠;模袋混凝土;凍脹規(guī)律;渠道襯砌

1 研究目的與意義

河套灌區(qū)屬于溫帶大陸性干旱、半干旱氣候帶，冬季時間持續(xù)較長且氣候寒冷，形成了季節(jié)凍土區(qū)。使得河套灌區(qū)基土凍融需要經(jīng)歷一個特別漫長的階段，形成一個歷時較長的凍融期，凍融期往往長達3～6個月左右，它的起始時間為10月中旬，翌年5月下旬融通，個別年份可至6月上旬融通，形成一個凍融周期。近年來，在河套灌區(qū)的骨干渠的節(jié)水改造工程中大量的應(yīng)用模袋混凝土，其已經(jīng)是工程中應(yīng)用的主要材料，在河套灌區(qū)一些工程中已經(jīng)投入使用，如在楊家河干渠等多條骨干渠道中和河套灌區(qū)南邊分干渠運用，從實際的運行情況發(fā)現(xiàn)，模袋混凝土襯砌渠道仍存在凍脹破壞、模袋磨損風(fēng)化和混凝土表面剝蝕等問題，渠道凍脹變型量仍然較大，所以在模袋混凝土襯砌渠道中鋪設(shè)保溫板成為提高模袋混凝土抗凍脹能力和工程壽命的一項新的突破和研究方向[1-3]。

為了探明河套灌區(qū)渠道的凍脹規(guī)律，在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)設(shè)立了兩個渠道試驗段和一個試驗場，分別設(shè)在了河套灌區(qū)南邊分干渠和楊家河干渠兩地，不同的模袋砼凍脹試驗段分布在渠道的不同走向上，并且為了對模袋砼鋪設(shè)厚度、在一定的模袋砼鋪設(shè)厚度下與厚度不同的保溫材料進行組合試驗，同時及時對試驗結(jié)果進行檢測分析如對不同處理下渠道凍脹量、凍深、地溫、地下水位等進行分析，在南邊分干渠附近建立了一處試驗場。通過監(jiān)測到的數(shù)據(jù)來對各處理渠道的凍脹機理進行分析研究，選出適合河套灌區(qū)渠道的模袋砼與保溫材料理想厚度分配與組合方案，力求尋找出能使渠道受凍脹量減少，基土地溫提高，凍土深度變小的厚度組合。為河套灌區(qū)骨干渠道將來在使用模袋混凝土與其他襯砌材料選擇方面提供科學(xué)依據(jù)[4]。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

楊家河灌域位于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)西部、杭錦后旗境內(nèi)，隸屬解放閘灌域管轄;總控制面積6.742萬hm2，現(xiàn)灌面積4.525萬hm2。該灌域以沖湖相為主，南高北低，地面坡降1/2 000～1/10 000之間，所引水源為黃河水，水量豐沛，多年平均引水量為4.24億m3，多年平均含沙量3.1 kg/m3，水質(zhì)含鹽量0.4～0.63 g/L。渠道底寬16m，口寬24m，渠底2.6m，平均水深2.1 m，渠道邊坡系數(shù)為1：1.5，楊家河干渠屬于挖方渠道。封凍前地下水位埋深為0.83 m，地下水埋深隨季節(jié)有較大變幅，秋澆后水位急劇上升，一般埋深在0.2 m～1.0 m，低水位期（2～4月份）埋深在1.0 m～3.0 m[4]。

2.2試驗設(shè)計

試驗段選定在河套灌區(qū)楊家河干渠，渠道走向為南北走向，為挖方渠道，保溫材料采用25 kg/m3聚苯乙烯模塑板。所有處理試驗方案在渠道陰陽坡對稱布置。在每個試驗處理段的陰、陽坡按上、下部分別布設(shè)了含水量觀測點、邊坡凍脹變形觀測裝置兩組，在每個試驗段的陰陽坡上下部位布置了不同深度的地溫傳感器，通過對不同處理試驗方案的觀測分析，評價各試驗段防凍脹效果。各處理具體試驗處理如表1所示，渠道試驗段斷部分面布置如圖1所示。

通過對不同模袋混凝土厚度條件下鋪設(shè)不同厚度聚苯板保溫試驗研究，分析不同保溫板與模袋混凝土厚度與凍脹量的變化規(guī)律、尋找最佳的厚度組合，提出適合河套灌區(qū)骨干渠道模袋混凝土襯砌保溫防凍脹優(yōu)化方案，達到提高地溫、削減與消除渠道基土凍深和凍脹量、提高模袋混凝土防凍脹效果與工程使用壽命的目的[5]。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 不同模袋處理最大凍脹量和削減凍脹量

表2為2016-2017年楊家河干渠東坡和西坡下坡1/3處不同模袋砼處理凍脹量特征值、削減量值和削減率表。繪制出不同模袋砼+保溫板處理下最大凍脹量分布如圖2所示。

從表2與圖2所顯示出的數(shù)據(jù)可以得出，模袋混凝土鋪設(shè)的厚度與最大凍脹量呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，8 cm厚度的模袋混凝土最大凍脹量在東西坡的兩側(cè)分布分別為97.5 mm和112 mm，12 cm厚度的模袋混凝土最大凍脹量在東西坡的兩側(cè)分布分別為80.7 mm和92.6 mm，凍脹率在東西坡的兩側(cè)削減量分別為17.23 %和17.32 %，15 cm厚度的模袋混凝土最大凍脹量在東西坡的兩側(cè)分布分別為57.3 mm和67.7 mm，凍脹率在東西坡的兩側(cè)削減量分別為41.23 %和39.55 %[6-7]。

3.2 不同厚度模袋條件下不同厚度保溫板凍脹量分布特征

由圖3可以看出，8cm模袋砼條件下，鋪設(shè)4cm保溫板最大凍脹量為50mm（東坡）和54.1mm（西坡;鋪設(shè)6cm保溫板最大凍脹量為32mm（東坡）和42.2mm（西坡）;鋪設(shè)12cm保溫板最大凍脹量為9.3mm（東坡）和11.8mm（西坡）。12cm模袋砼條件下，鋪設(shè)4cm保溫板最大凍脹量為34.5mm（東坡）和38mm（西坡）;鋪設(shè)6cm保溫板最大凍脹量為21mm（東坡）和24mm（西坡）;鋪設(shè)8cm保溫板最大凍脹量為12mm（東坡）和16mm（西坡）。同樣說明聚苯板的保溫效果較好。15cm模袋砼條件下，鋪設(shè)4cm保溫板最大凍脹量為10.7mm（東坡）和13.1mm（西坡）;鋪設(shè)6cm保溫板最大凍脹量為4.9mm（東坡）和6.6mm（西坡）。說明聚苯板的保溫效果較好[8-10]。

3.3 模袋砼厚度與最大凍脹量的關(guān)系

統(tǒng)計出一個完整凍融期內(nèi)8cm、12cm和15cm模袋砼3種無保溫處理的下坡1/3處最大凍脹量如表3所示。

3.4 單位厚度聚苯板的增溫效果

將2015年11月-2016年4月和2016年11月-2017年4月兩個凍融期內(nèi)8cm模袋砼條件下、12cm模袋砼條件下和15cm模袋砼條件下鋪設(shè)不同厚度聚苯板的日平均溫度進行平均，計算出鋪設(shè)保溫板處理兩個凍融期的平均溫度，從而計算出楊家河干渠單位厚度聚苯板的增溫效果如表4所示。

由表4可以看出，對于楊家河干渠埋深40cm處的基土觀測期平均地溫，每厘米聚苯板可提高地溫0.52℃?？梢婁佋O(shè)聚苯板的增溫效果較為顯著，綜合考慮經(jīng)濟性和保溫效果，建議采用模袋砼下鋪設(shè)保溫板的結(jié)構(gòu)型式。

4 主要結(jié)論

4.1 不同模袋砼處理凍脹量變化規(guī)律

（1）從8cm模袋砼+無保溫、12cm模袋砼+無保溫和15cm模袋砼+無保溫3個處理凍脹量變化來看，隨著模袋砼厚度的增加，凍脹量變化幅度逐漸減小，并且西坡的凍脹量大于東坡的凍脹量。

（2）不同厚度的模袋混凝土最大凍脹量在東西坡的兩側(cè)分布差異明顯，8cm厚模袋混凝土最大凍脹量在東西坡的兩側(cè)分別為97.5mm和112mm，12cm厚度的模袋混凝土分別為80.7mm和92.6mm，凍脹率在東西坡的兩側(cè)削減量分別為17.23%和17.32%，15cm分別為57.3mm和67.7mm，凍脹率在東西坡的兩側(cè)削減量分別為41.23%和39.55%，且西坡的凍脹量大于東坡的凍脹量。

（3）通過對楊家河干渠模袋砼厚度與監(jiān)測到的最大凍脹量關(guān)系的數(shù)據(jù)進行擬合，得出楊家河干渠模袋砼厚度與最大凍脹量關(guān)系，模袋砼厚度與最大凍脹量成線性關(guān)系，最大凍脹量隨模袋砼厚度的增加而減小。

4.2 不同模袋砼處理保溫效果

（1）模袋砼下鋪設(shè)聚苯板可以有效提高地溫，起到很好的保溫效果。隨著模袋砼厚度的增加，出現(xiàn)負溫的時長逐漸減小，說明增加模袋砼厚度在一定程度上可以減小負溫的天數(shù)，但仍然有一段時間處于負溫區(qū)域，并沒有起到很好的保溫效果。

（2）隨著模袋砼鋪設(shè)厚度增加，每厘米的聚苯板的增溫幅度是減小的，故在工程布置時應(yīng)該綜合考慮模袋砼與保溫板的厚度組合。

（3）對于楊家河干渠埋深40cm處的基土觀測期平均地溫，每厘米聚苯板可提高地溫0.52℃?？梢婁佋O(shè)聚苯板的增溫效果較為顯著，綜合考慮經(jīng)濟性和保溫效果，建議采用模袋砼下鋪設(shè)保溫板的結(jié)構(gòu)型式。

參考文獻：

[1]劉宏云.楊家河干渠渠道襯砌防凍試驗方案階段總結(jié)與探討[J].內(nèi)蒙古水利，2004（03）：18-19.

[2]宋迪.冬灌條件下土壤凍融過程的試驗研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[3]王丹.輸水渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍害防治及優(yōu)化設(shè)計研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2013.

[4]郭富強.北方季節(jié)性凍土區(qū)渠道保溫防凍脹機理與應(yīng)用研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019.

[5]高亞磊.模袋混凝土襯砌凍脹適應(yīng)性研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2019.

[6]郭富強，史海濱，程滿金，等.不同地下水位下渠基凍脹規(guī)律與保溫板適宜厚度確定[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018（19）：95-103.

[7]赫珊珊.遼寧沿海灌區(qū)襯砌渠道防凍脹設(shè)計研究[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

[8]潘鑫.板縫對U形砼襯砌渠道凍脹響應(yīng)與襯砌板結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].銀川：寧夏大學(xué)，2018.

[9]王小東.土工袋砌護農(nóng)田排水溝邊坡的固坡模式及應(yīng)用研究[D].銀川：寧夏大學(xué)，2017.

[10]張希黔.創(chuàng)新技術(shù)在建筑施工中的應(yīng)用（3）[J].施工技術(shù)，2008（12）：107-112.