郭彦芬 霍轶珍 王文达 程满金

摘要：该文通过监测到的数据来对各处理渠道的冻胀机理进行分析研究，选出适合河套灌区渠道的模袋砼与保温材料理想厚度分配与组合方案，力求寻找出能使渠道受冻胀量减少，基土地温提高，冻土深度变小的厚度组合，为河套灌区骨干渠道将来在使用模袋混凝土与其他衬砌材料选择方面提供科学依据。[请修改至与英文摘要一致的中文摘要。]

关键词：杨家河干渠;模袋混凝土;冻胀规律;渠道衬砌

1 研究目的与意义

河套灌区属于温带大陆性干旱、半干旱气候带，冬季时间持续较长且气候寒冷，形成了季节冻土区。使得河套灌区基土冻融需要经历一个特別漫长的阶段，形成一个历时较长的冻融期，冻融期往往长达3～6个月左右，它的起始时间为10月中旬，翌年5月下旬融通，个别年份可至6月上旬融通，形成一个冻融周期。近年来，在河套灌区的骨干渠的节水改造工程中大量的应用模袋混凝土，其已经是工程中应用的主要材料，在河套灌区一些工程中已经投入使用，如在杨家河干渠等多条骨干渠道中和河套灌区南边分干渠运用，从实际的运行情况发现，模袋混凝土衬砌渠道仍存在冻胀破坏、模袋磨损风化和混凝土表面剥蚀等问题，渠道冻胀变型量仍然较大，所以在模袋混凝土衬砌渠道中铺设保温板成为提高模袋混凝土抗冻胀能力和工程寿命的一项新的突破和研究方向[1-3]。

为了探明河套灌区渠道的冻胀规律，在内蒙古河套灌区设立了两个渠道试验段和一个试验场，分别设在了河套灌区南边分干渠和杨家河干渠两地，不同的模袋砼冻胀试验段分布在渠道的不同走向上，并且为了对模袋砼铺设厚度、在一定的模袋砼铺设厚度下与厚度不同的保温材料进行组合试验，同时及时对试验结果进行检测分析如对不同处理下渠道冻胀量、冻深、地温、地下水位等进行分析，在南边分干渠附近建立了一处试验场。通过监测到的数据来对各处理渠道的冻胀机理进行分析研究，选出适合河套灌区渠道的模袋砼与保温材料理想厚度分配与组合方案，力求寻找出能使渠道受冻胀量减少，基土地温提高，冻土深度变小的厚度组合。为河套灌区骨干渠道将来在使用模袋混凝土与其他衬砌材料选择方面提供科学依据[4]。

2 材料与方法

2.1 试验区概况

杨家河灌域位于内蒙古河套灌区西部、杭锦后旗境内，隶属解放闸灌域管辖;总控制面积6.742万hm2，现灌面积4.525万hm2。该灌域以冲湖相为主，南高北低，地面坡降1/2 000～1/10 000之间，所引水源为黄河水，水量丰沛，多年平均引水量为4.24亿m3，多年平均含沙量3.1 kg/m3，水质含盐量0.4～0.63 g/L。渠道底宽16m，口宽24m，渠底2.6m，平均水深2.1 m，渠道边坡系数为1：1.5，杨家河干渠属于挖方渠道。封冻前地下水位埋深为0.83 m，地下水埋深随季节有较大变幅，秋浇后水位急剧上升，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试验设计

试验段选定在河套灌区杨家河干渠，渠道走向为南北走向，为挖方渠道，保温材料采用25 kg/m3聚苯乙烯模塑板。所有处理试验方案在渠道阴阳坡对称布置。在每个试验处理段的阴、阳坡按上、下部分别布设了含水量观测点、边坡冻胀变形观测装置两组，在每个试验段的阴阳坡上下部位布置了不同深度的地温传感器，通过对不同处理试验方案的观测分析，评价各试验段防冻胀效果。各处理具体试验处理如表1所示，渠道试验段断部分面布置如图1所示。

通过对不同模袋混凝土厚度条件下铺设不同厚度聚苯板保温试验研究，分析不同保温板与模袋混凝土厚度与冻胀量的变化规律、寻找最佳的厚度组合，提出适合河套灌区骨干渠道模袋混凝土衬砌保温防冻胀优化方案，达到提高地温、削减与消除渠道基土冻深和冻胀量、提高模袋混凝土防冻胀效果与工程使用寿命的目的[5]。

3 试验结果与分析

3.1 不同模袋处理最大冻胀量和削减冻胀量

表2为2016-2017年杨家河干渠东坡和西坡下坡1/3处不同模袋砼处理冻胀量特征值、削减量值和削减率表。绘制出不同模袋砼+保温板处理下最大冻胀量分布如图2所示。

从表2与图2所显示出的数据可以得出，模袋混凝土铺设的厚度与最大冻胀量呈现负相关关系，8 cm厚度的模袋混凝土最大冻胀量在东西坡的两侧分布分别为97.5 mm和112 mm，12 cm厚度的模袋混凝土最大冻胀量在东西坡的两侧分布分别为80.7 mm和92.6 mm，冻胀率在东西坡的两侧削减量分别为17.23 %和17.32 %，15 cm厚度的模袋混凝土最大冻胀量在东西坡的两侧分布分别为57.3 mm和67.7 mm，冻胀率在东西坡的两侧削减量分别为41.23 %和39.55 %[6-7]。

3.2 不同厚度模袋条件下不同厚度保温板冻胀量分布特征

由图3可以看出，8cm模袋砼条件下，铺设4cm保温板最大冻胀量为50mm（东坡）和54.1mm（西坡;铺设6cm保温板最大冻胀量为32mm（东坡）和42.2mm（西坡）;铺设12cm保温板最大冻胀量为9.3mm（东坡）和11.8mm（西坡）。12cm模袋砼条件下，铺设4cm保温板最大冻胀量为34.5mm（东坡）和38mm（西坡）;铺设6cm保温板最大冻胀量为21mm（东坡）和24mm（西坡）;铺设8cm保温板最大冻胀量为12mm（东坡）和16mm（西坡）。同样说明聚苯板的保温效果较好。15cm模袋砼条件下，铺设4cm保温板最大冻胀量为10.7mm（东坡）和13.1mm（西坡）;铺设6cm保温板最大冻胀量为4.9mm（东坡）和6.6mm（西坡）。说明聚苯板的保温效果较好[8-10]。

3.3 模袋砼厚度与最大冻胀量的关系

统计出一个完整冻融期内8cm、12cm和15cm模袋砼3种无保温处理的下坡1/3处最大冻胀量如表3所示。

3.4 单位厚度聚苯板的增温效果

将2015年11月-2016年4月和2016年11月-2017年4月两个冻融期内8cm模袋砼条件下、12cm模袋砼条件下和15cm模袋砼条件下铺设不同厚度聚苯板的日平均温度进行平均，计算出铺设保温板处理两个冻融期的平均温度，从而计算出杨家河干渠单位厚度聚苯板的增温效果如表4所示。

由表4可以看出，對于杨家河干渠埋深40cm处的基土观测期平均地温，每厘米聚苯板可提高地温0.52℃。可见铺设聚苯板的增温效果较为显著，综合考虑经济性和保温效果，建议采用模袋砼下铺设保温板的结构型式。

4 主要结论

4.1 不同模袋砼处理冻胀量变化规律

（1）从8cm模袋砼+无保温、12cm模袋砼+无保温和15cm模袋砼+无保温3个处理冻胀量变化来看，随着模袋砼厚度的增加，冻胀量变化幅度逐渐减小，并且西坡的冻胀量大于东坡的冻胀量。

（2）不同厚度的模袋混凝土最大冻胀量在东西坡的两侧分布差异明显，8cm厚模袋混凝土最大冻胀量在东西坡的两侧分别为97.5mm和112mm，12cm厚度的模袋混凝土分别为80.7mm和92.6mm，冻胀率在东西坡的两侧削减量分别为17.23%和17.32%，15cm分别为57.3mm和67.7mm，冻胀率在东西坡的两侧削减量分别为41.23%和39.55%，且西坡的冻胀量大于东坡的冻胀量。

（3）通过对杨家河干渠模袋砼厚度与监测到的最大冻胀量关系的数据进行拟合，得出杨家河干渠模袋砼厚度与最大冻胀量关系，模袋砼厚度与最大冻胀量成线性关系，最大冻胀量随模袋砼厚度的增加而减小。

4.2 不同模袋砼处理保温效果

（1）模袋砼下铺设聚苯板可以有效提高地温，起到很好的保温效果。随着模袋砼厚度的增加，出现负温的时长逐渐减小，说明增加模袋砼厚度在一定程度上可以减小负温的天数，但仍然有一段时间处于负温区域，并没有起到很好的保温效果。

（2）随着模袋砼铺设厚度增加，每厘米的聚苯板的增温幅度是减小的，故在工程布置时应该综合考虑模袋砼与保温板的厚度组合。

（3）对于杨家河干渠埋深40cm处的基土观测期平均地温，每厘米聚苯板可提高地温0.52℃。可见铺设聚苯板的增温效果较为显著，综合考虑经济性和保温效果，建议采用模袋砼下铺设保温板的结构型式。

参考文献：

[1]刘宏云.杨家河干渠渠道衬砌防冻试验方案阶段总结与探讨[J].内蒙古水利，2004（03）：18-19.

[2]宋迪.冬灌条件下土壤冻融过程的试验研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2009.

[3]王丹.输水渠道衬砌结构冻害防治及优化设计研究[D].大连：大连理工大学，2013.

[4]郭富强.北方季节性冻土区渠道保温防冻胀机理与应用研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2019.

[5]高亚磊.模袋混凝土衬砌冻胀适应性研究[D].咸阳：西北农林科技大学，2019.

[6]郭富强，史海滨，程满金，等.不同地下水位下渠基冻胀规律与保温板适宜厚度确定[J].农业工程学报，2018（19）：95-103.

[7]赫珊珊.辽宁沿海灌区衬砌渠道防冻胀设计研究[D].沈阳：沈阳农业大学，2017.

[8]潘鑫.板缝对U形砼衬砌渠道冻胀响应与衬砌板结构优化[D].银川：宁夏大学，2018.

[9]王小东.土工袋砌护农田排水沟边坡的固坡模式及应用研究[D].银川：宁夏大学，2017.

[10]张希黔.创新技术在建筑施工中的应用（3）[J].施工技术，2008（12）：107-112.