高丹

（辽宁省防汛抗旱指挥部办公室，辽宁沈阳110003）

辽宁省是我国严重缺水省份之一，水资源时空分布不均匀，人均水资源占有量仅为全国的1/3。控制水田灌溉用水量，提高灌溉水利用率，成为解决缺水、费水问题最有效的战略举措。渠道衬砌防渗能极大地减少渠道渗漏损失，节水潜力巨大，成为我国应用最广泛的节水工程技术[1]。为了消减冻胀破坏，提高投资效益，延长工程的使用年限，灌区渠道衬砌工程急需寻找新的防冻胀结构形式[2]。下面以辽宁开原灌区为例，对铺设不同厚度苯板渠道的含水率、冻胀量、冻深和地温变化规律进行了研究，以期为辽宁地区中小混凝土衬砌渠道设计、施工、管理提供理论指导。

1 工程概况及试验设计

开原灌区属北温带季风型大陆性气候，夏季炎热，初霜期在9月下旬，全年无霜期为145～165 d，4月末为终霜期；年日照时数约为2 585 h，11，12 月较短，5，6 月较长。平均风速45 m/s，秋冬多西北风，春夏多西南风，平均降水量为678 mm，地下水位在3～5 cm 之间。最大冻土深度为1.43 m，基土冻胀量在12～14 cm。开原灌区城郊干渠属于中小混凝土衬砌渠道，下水埋深随季节有较大变幅，封冻前地下水位埋深为0.83 m，秋浇后水位急剧上升。冻胀试验场位于开原灌区城郊干渠二闸西南方向6+400 处，设置6 个不同厚度（1.5～9.0 cm）苯板处理，另设置1 个对照组（无保温处理）。每个试块面积均为5 m×5 m，试块上均砌筑8 cm 混凝土砌块。试验观测期为2017 年11 月至2019 年5月，共2 个完整冻融周期。观测内容包括基土土质、地下水位、土壤含水率、基土冻胀量、基土地温、基土分层冻胀量等。

2 结果与分析

2.1 保温效果分析

用不同厚度苯板渠道冻融期内日平均温度计算得到总积温值，增温效果与总积温变化，如图1所示。可以看出，对比段的总积温平均值为191.05 ℃，铺设苯板对渠道冻融期内总积温的增温效果比较显著，随着苯板厚度的增加，观测期内基土温差值逐渐减小，而总积温值不断增加；铺设苯板后增温效果为249.95%～570.08%，基土的温差值为14.15～11.03 ℃，减幅为52.06%～65.31%，表明苯板越厚，增温值也越大，铺设聚苯板可以显著减小观测期内温差值。苯板铺设厚度为1.5～9.0 cm 时，增温效果最为显著，随后继续增加苯板厚度，增温效果变缓。因此，考虑苯板的最佳铺设厚度为6.0 cm。

对不同厚度苯板处理的观测期平均温度值进行分析，得到单位厚度苯板的增温值，如图2 所示。可以看出，铺设的苯板越厚，单位厚度保温板的增温效果越差，每增加铺设1 cm 厚苯板能提高40 cm 处地温1.24 ℃。

图1 不同苯板处理增温效果与总积温

图2 单位厚度苯板的增温效果

对冻融观测期的不同土层深度地温值进行统计，得到外界极值温度条件下不同土层深度的温度分布，如图3 所示。在外界极高温度条件下，随着土层深度的增加，对照组呈线性下降，而铺设苯板后，10～40 cm 土层的温度显著降低，表明在高温条件苯板能有效阻止外界热量的输入，隔热效应较好，苯板铺设的越厚，隔热效果也越显著。通过对比可以看出，对于40 cm 以下土层随着土层深度的增加，铺设苯板对地温影响幅度逐渐减小。铺设苯板对10～40 cm 土层的地温影响较大，而对10 cm 以上土层地温无显著影响。

2.2 防冻胀效果分析

对不同厚度苯板处理的表层冻胀量最大值进行统计，并计算其冻胀量削减量和削减率，如表1所示。苯板厚度为6.0 cm 时，削减冻胀率大于90%，即苯板铺设厚度为6.0 cm 即可到达很好的防冻胀效果。对比冻融期内单位苯板削减冻胀量值可以看出，随着苯板铺设厚度的增加，单位厚度苯板削减冻胀量值不断减小，单位厚度苯板削减冻胀量与苯板厚度呈明显的幂函数关系，平均单位厚度苯板削减冻胀量为19.22 mm/cm。

图3 极值温度条件下不同土层深度温度分布图

表1 不同厚度苯板处理削减率及冻胀量特征值

2.3 削减冻深规律分析

统计出不同厚度苯板处理的基土冻深削减值及最大冻深值，如表2 所示。在冻融期内，不同厚度苯板处理具有相同的变化规律，且差异不明显，而对照组的冻胀变化幅度显著大于铺设苯板的冻深变化幅度。随着苯板厚度的增加，基土的最大冻深不断减小，平均削减冻深70.42%～83.58%，表明苯板铺设厚度越厚，保温效果越好，基土冻深也越小。苯板铺设厚度为6.0 cm 时可达到显著的削减冻深效果，其削减冻深达79.22%。

表2 苯板厚度对基土削减率及最大冻深的影响

苯板铺设条件下单位厚度苯板削减冻深量值的计算结果，如图4 所示。可以看出，随着苯板厚度的增加，单位厚度削减冻深值逐渐减小，二者呈明显的幂函数关系。单位厚度苯板削减冻深4.10～21.38 cm，其中，苯板条件下单位铺设厚度为1.5 cm 时，苯板削减冻深值最大。

图4 不同苯板厚度处理削减冻深及最大冻深关系曲线

2.4 基土水分迁移规律分析

以对照组和苯板处理条件下的基土水分迁移情况进行分析，如表3 所示。可以看出，冻融期内10～40 cm 土壤含水率不断增大，而40～60 cm 土层的含水率明显减小，表明冻结过程中水分向冻结锋面发生迁移，即水分由40 cm 以下的土层向40 cm 以上土层迁移。

表3 不同处理条件下0～50 cm 土壤深度的水分变化值%

3 结论

通过开原灌区原位冻胀试验平台，对不同厚度苯板下混凝土衬砌渠道的保温效果、防冻胀效果、削减冻深规律及基土水分迁移规律进行研究，得出以下结论：苯板铺设厚1.5～9.0 cm 条件下，总积温增温效果分别为249.95%～570.08%；铺设苯板对10～40 cm 土层的地温影响最大，单位厚度聚苯板的增温值为1.24 ℃；苯板对冻胀量削减效果极为显著，冻胀削减率达到53.64%～95.84%。随着聚苯板厚度的增加而单位厚度聚苯板削减冻胀量值不断减小，单位厚度苯板冻胀削减量为19.22 mm；苯板的冻深削减效果也极为显著，平均削减冻深70.42%～83.58%；土体冻结过程中水分向冻结锋面发生迁移，导致土体表面隆起、变形，消融过程中，0～40 cm 土体表层隆起冻胀变形逐渐减小。所以，铺设苯板可以减小基土冻胀率的变化幅度，延缓冻胀历程，减小冻结速率。该试验能够为辽宁地区中小混凝土渠道衬砌选用苯板保温提供参考。