孫雯，宋玲*，許清峰，陳新瑞，楊禹錕

(1. 石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子832003； 2. 新疆天富能源股份有限公司紅山嘴電廠，新疆 石河子 832000； 3. 石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003)

由于新疆獨特的地理環(huán)境和氣候，有3～6個月處于冬季.對寒區(qū)渠道而言，長期輸水過程中，受地下水的影響，基土含水率逐漸增高，在凍結(jié)作用中渠道基土發(fā)生凍脹，造成輸水襯砌渠道破壞，不僅浪費了水資源，威脅工程的安全運行，還對國民經(jīng)濟造成了巨大的損失.

從19世紀20年代開始，人們對土體凍脹進行研究[1]，毛細理論[2]和凍結(jié)緣理論[3]的提出為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ).LI等[4-5]采用數(shù)值模擬、原位監(jiān)測的方式，對渠道凍脹過程中的溫度場和水分場進行了研究；周家作等[6]提出土體在凍結(jié)過程中因地下水埋藏較淺而存在明顯的水分遷移和補給，稱為開放系統(tǒng)條件下的土體凍結(jié)過程；肖旻等[7]對高水位的基土凍脹強度進行了計算；劉倩等[8]對寒區(qū)模袋混凝土襯砌渠道的受力問題進行了研究，但這些研究都只針對冬季不過水渠道.對于冬季過水渠道，宋玲等[9]建立了過水渠道的力學模型.陳瑞考等[10]對過水渠道的溫度場、位移場和應力場進行了分析.

上述冬季過水渠道的已有成果是采用了力學分析和數(shù)值模擬，但沒有相應的試驗來驗證相關(guān)成果，且目前也沒有開展停水渠道和過水渠道的室內(nèi)對比試驗.基于以上不足，文中進行開放系統(tǒng)下襯砌渠道的室內(nèi)模型凍結(jié)試驗研究，以期為渠道凍脹理論探索和數(shù)值分析提供參考，并為類似工程的運行管理提供指導.

1 試驗裝置概述

如圖1所示，渠道凍結(jié)試驗裝置由箱體、制冷系統(tǒng)、補水系統(tǒng)和控制與量測系統(tǒng)組成.箱體用于放置渠道等模型體，內(nèi)部長×寬×高=160 cm×60 cm×70 cm，箱厚8 cm，在底部鋪設(shè)5 cm厚的反濾透水邊界，此邊界由砂石、濾網(wǎng)和透水棉構(gòu)成；制冷系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、制冷管等組成，以制冷劑為介質(zhì)進行能量的轉(zhuǎn)換.制冷管用不銹鋼螺絲和夾子固定在箱體上部25 cm高的空間內(nèi)，將制冷區(qū)域設(shè)置在模型體的上部，冷氣從上部慢慢下沉形成自然對流，模擬實際空氣對流傳熱形式；補水系統(tǒng)由支架、馬氏瓶、軟管及其活動夾子組成；溫度控制采用電子控溫，調(diào)節(jié)范圍為0～-30 ℃，當箱內(nèi)溫度過高時壓縮機啟動，制冷系統(tǒng)工作，將溫度降低.當箱內(nèi)溫度降至設(shè)置要求溫度時，壓縮機自動斷電.所用溫度傳感器為DLOG的溫度自動記錄儀，測溫范圍為-50～110 ℃，精度±0.3～±0.5 ℃，設(shè)置采樣間隔為1 h.

圖1 試驗裝置圖

圖2為傳感器布置圖，其中，數(shù)字11—48代表溫度傳感器位置標號，48為第4層第8列；C1，C2和C3代表測含水量的取樣位置，分別是從渠坡底部起算的1/3坡板、2/3坡板和渠頂處垂直向下取樣；L，R分別代表左、右渠坡.同時，進行過水渠道凍結(jié)試驗時在渠內(nèi)加水，渠內(nèi)水溫由加熱器和溫控盒(自帶感溫頭)一起控制，參考以往研究中實測瑪納斯河二級電站引水渠的水溫為0.5～2.8 ℃，設(shè)置本次模型試驗的渠內(nèi)水溫在3.0～4.0 ℃.

圖2 傳感器布置圖

2 試驗方案

2.1 材料與方法

土樣取自新疆某引水渠沿線，測出其基本性質(zhì).粒徑級配d：2.000～1.000, 1.000～0.500, 0.500～0.250, 0.250～0.075, ≤0.075 mm分別為0.33%, 1.09%, 1.71%, 6.65%, 81.78%.液、塑限分別為30.47%和15.68%，最大干密度為1.62 g/cm3，最優(yōu)含水率17.0%，該土樣為含砂低液限黏土.將土樣經(jīng)風干、過篩等處理，按含水率為17%加水備樣，充分攪拌均勻并悶料一晝夜.如圖1b所示，將拌制好的土樣分4層裝箱，每次土層厚度為10 cm.接著按1.00∶1.75進行削坡處理，以1.8 cm厚的有機玻璃板作為渠道襯砌層.

2.2 方案設(shè)計

試驗設(shè)計1號(無水)和2號(水深在1/3渠深處)2類模型，具體試驗方案如表1所示，表中h0和w0分別為地下水埋深和初始含水率.

表1 試驗方案

2.3 裝置保溫性能

溫度控制采取階梯式降溫模式，過冷階段：將溫度設(shè)置為0 ℃維持8 h；快速降溫階段：降溫至-3 ℃持續(xù)12 h，再調(diào)至-5 ℃維持12 h；低溫恒定階段：最后將溫度控制在-8 ℃直至試驗結(jié)束.為了保證環(huán)境溫度不影響箱體模型的制冷效果，采用高密度的多元混合發(fā)泡材料作為模型的保溫材料，并且在試驗過程中監(jiān)測室溫，箱內(nèi)左側(cè)、右側(cè)和中間部分的冷氣溫度，如圖3所示，圖中T為溫度，t為時間.1，2號模型的箱內(nèi)溫度不受室內(nèi)環(huán)境溫度的影響，只與溫控方案和冷氣傳遞效率有關(guān).

圖3 模型保溫效果圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 模型溫度場

圖4，5分別為1，2號模型渠基土在試驗初始、第35 h、第100 h和試驗結(jié)束時形成的溫度場.x，y代表坐標.由圖4a可知，初始溫度場分布較均勻，整體溫度在17 ℃左右.試驗初期基土內(nèi)溫度下降很快，到了第35 h時上部渠頂開始出現(xiàn)負溫，此后負溫繼續(xù)向底部土體傳遞，等溫線均分層分布，在x=50～110 cm范圍內(nèi)的基土等溫線與渠槽平行，遠離此區(qū)域的等溫線近似水平分布，因為渠道斷面形狀是凹進的梯形，影響冷空氣的流向，使得各部位進行熱交換的時間和效率有所差異，從而使等溫線分布規(guī)律不同.整個試驗過程中基土內(nèi)0 ℃等溫線坐標范圍為y=0～40 cm，說明在此模型中渠基土全斷面發(fā)生了凍結(jié).

圖4 1號模型溫度場

由圖5可知，初始時刻基土內(nèi)溫度場與1號模型類似，在17 ℃左右.到第35 h時渠頂附近產(chǎn)生負溫，與1號模型不同的是，坡板下基土內(nèi)等溫線垂直于渠槽輪廓線，這是因為2號模型渠底板與下1/3坡板構(gòu)成的空間內(nèi)，正溫的水體代替了冷空氣，水與基土交換熱量的同時起到了保溫作用.直至試驗結(jié)束時因渠內(nèi)水體的存在，使y=0～10 cm高度范圍內(nèi)基土溫度仍為正溫，最終凍結(jié)鋒面到達y=10 cm附近.

圖5 2號模型溫度場

對比1，2號模型的溫度場，梯形渠槽線的存在使得上部渠基土同時受到從渠堤處和坡板處2個方向傳遞的冷空氣影響，而下部渠基土只有底板這個臨空面?zhèn)鬟f冷氣，渠基土與模型頂部的距離越近，受冷氣影響效果越顯著，渠基土上部凍結(jié)速率高于下部，且同高度處的基土溫度也分布不均.不同之處：1號模型全斷面基土內(nèi)均有負溫；2號模型的渠內(nèi)水體溫度處于相變溫度以上，當模型頂部的冷空氣傳遞至渠內(nèi)水中時，正溫的水體會吸收部分的冷氣，使得冷氣向水位面以下基土內(nèi)傳遞的效率大幅降低；以水位線為分界線，水面上部基土暴露在冷氣中，發(fā)生凍結(jié)，而水位面以下基土受渠內(nèi)水的保護溫度處于正溫，水位面附近的區(qū)域溫度波動較大，在實際工程中往往會在水面附近形成凍脹裂縫[9].

3.2 馬氏瓶補水量

圖6為馬氏瓶累積補水量.由圖可知，1，2號模型的馬氏瓶累積補水量W隨時間t變化分為3個階段：快速補水、補水速率減小和幾乎停止補水，最終的累積補水量分別為16 873 mL和16 051 mL.試驗初始，土體處于非飽和狀態(tài)，土顆粒表面有吸附水膜，在較大的溫度梯度作用下，土體內(nèi)水熱變化劇烈，凍結(jié)鋒面開始向下移動，馬氏瓶內(nèi)的水通過毛細作用大量向冷端遷移，使土體內(nèi)冰含量增多，此階段持續(xù)130 h.在130～190 h時2個模型的補水速率有所減緩，因為此時間段內(nèi)基土中形成的冰會堵塞部分遷移通道，所以此階段屬于平緩補水.190～236 h期間溫度場達到穩(wěn)定，基土內(nèi)熱量傳遞很緩，2個模型中馬氏瓶幾乎停止補水.

圖6 馬氏瓶累積補水量

3.3 含水率

試驗結(jié)束時，在沿渠坡底向上的1/3坡板(C1)、2/3坡板(C2)和坡頂(C3)處垂直鉆孔取樣，烘干測得含水率，L,R分別代表左、右渠坡，得到1號、2號模型的含水率w隨土樣高度h變化曲線如圖7，8所示.

圖7 1號模型含水率

由圖7可知，左右坡板C1，C2，C3各位置下含水率均隨試樣高度降低呈增大的規(guī)律，且各高度處含水率均高于17%.但由于初始溫度場變化劇烈，凍結(jié)鋒面向下部移動過快，水分來不及大量遷移，使得y=25～40 cm高度內(nèi)基土含水率變化幅度較??；隨著試驗的進行，凍結(jié)鋒面繼續(xù)下移，水分遷移的距離變短，水分遷移量增加，加之重力影響的水分重分布，y=0～25 cm高度內(nèi)基土含水率增幅較大，并且從渠頂沿坡板向下含水率依次增大，這是由最終凍結(jié)鋒面停留位置、馬氏瓶所補水量和遷移水分量共同決定的.

由圖8可知，C1位置處含水率隨高度降低呈先增大后減小再增大的規(guī)律，且均大于17%，是由基土內(nèi)發(fā)生的水熱交換而導致，試驗初期自由水發(fā)生凍結(jié)，溫度繼續(xù)降低使薄膜水和毛細水開始凍結(jié)，且整個試驗過程中伴隨著外界水源的補給和重力作用.C2和C3處基土含水率均是隨著土體高度降低先增加后稍有減小.C1，C2和C3位置處均存在含水率峰值，且都位于y=10 cm附近，結(jié)合溫度場可知此位置為凍結(jié)鋒面最終到達處，表明水分遷移至此處出現(xiàn)了聚集現(xiàn)象.2類模型含水率峰值出現(xiàn)的位置不同，且各高度處的含水率大小不等，一方面1號模型基土全斷面發(fā)生了凍結(jié)，馬氏瓶所補水量相變?yōu)楸?，可自由遷移的水量變少.2號模型水位面以下的基土處于正溫，不發(fā)生水冰相變，馬氏瓶所補水分可自由運移.另一方面因為鉆土取樣的位置是渠道模型的正中間，在毛細作用、重力作用和土顆粒間的相互吸引下，水分的遷移除了豎向遷移也伴隨著水平運移，所以凍后含水率的大小也與取樣位置有關(guān).在實際渠道建設(shè)中渠線應盡量避免穿過高地下水位，并在襯砌板下采取隔水等工程措施，減少水分滲漏.

圖8 2號模型含水率

4 結(jié) 論

1) 負溫條件下，不過水渠道和過水渠道在各時刻的渠基土溫度場分布規(guī)律不同.過水渠道的渠基土僅在水位線附近及以上區(qū)域發(fā)生凍結(jié)，渠基土的凍結(jié)速率較不過水渠道的緩慢，凍深較淺.

2) 無論渠內(nèi)是否過水，凍脹過程中水分既有垂向的遷移也伴隨著水平向的運移，從渠頂沿著渠坡向下，渠基土含水率呈現(xiàn)增大的趨勢，水分在凍結(jié)鋒面處聚集，形成含水率峰值.

3) 渠道在冬季采取低水位運行，可避免渠底板發(fā)生凍害；冬季輸水運行的渠道應在水面以上襯砌板下采取保溫、隔熱和防水的工程措施，為防止渠內(nèi)水體結(jié)冰，應采取抽水融冰等措施.