李 德

(辽宁省大伙房水库管理局有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

随着人类社会的迅速发展，对资源消费和依赖程度也在迅速增加，其中水资源短缺已经成为亟待解决的全球性问题[1]。我国作为世界上人均水资源极为匮乏的国家，必须采取必要措施，加大水资源的优化配置和保护力度，积极构建节水型社会。从国内的实际情况来看，不仅水资源严重短缺，同时水资源的浪费情况依旧严重[2]。其中，我国农田灌溉渠道的水利用效率仅有0.6左右，水资源浪费情况十分严重。另外，对于我国北方寒区而言，冻胀破坏十分普遍，不仅影响到渠道的使用寿命，也会造成比较显著的渗漏问题[3]。为了解决这一问题，北方寒区灌溉渠道纷纷采用增设保温板的方式控制渠道衬砌结构冻胀变形，并取得了良好的工程效果[4]。但是，目前所使用的聚苯乙烯保温板强度较低，在运输和铺设过程中难免会出现一些工程缺陷，从而影响其热力学性质，导致保温功能受到影响。基于此，此次研究通过室内模型试验的方式，探讨保温板施工缺陷对渠道衬砌结构抗冻胀性能的影响，以便为相关工程建设和后期的维护管理提供支持。

1 室内模型试验设计

1.1 模型基本参数

文章以辽宁省某灌区渠系改造工程为背景，以工程现场聚苯乙烯保温板层工程为依托，进行室内模型试验，以探索施工中保温板层存在的缺陷对衬砌结构抗冻胀性能的影响。通过制作试验模型，模拟野外自然环境下的升温和降温过程，对模型的温度场、冻胀量等进行监测[5]。

试验中渠基土取自工程现场，并按照SL 237—1999《土工试验规程》的相关要求对土样进行试验，获得区基本的物理力学参数[6]。综合考虑试验段渠道的几何尺寸以及模型试验场地情况，确定模型试验的几何比尺为1∶5；结合工程所在地冬季的冻结特征、气候情况以及室内试验可以实现可控制的环境温度，确定试验的温度比尺为1∶1，时间比尺为1∶45。根据工程特点和模型试验箱的具体尺寸，研究中采用半断面模拟的方式进行，模型试验的设计坡比为1∶3，其具体的设计参数见表1。

表1 模型参数设计表

1.2 试验装置和设备

此次试验在低温实验室进行，模型试验箱为钢材焊接而合成的，5.5m×4.5m×2.0m的长方体形状。其中，试验箱的箱底主要由3层构成，第一层为直径2cm的钢管弯曲而成；第二层为水工无纺布和厚度为5cm的砂垫层；第三层为底板补水层，主要由弯曲的塑料管制成，其周围铺设粒径为5cm左右的卵石，上面覆盖水工无纺布，其主要功能是实现对单向冻结和双向融化的模拟。

根据试验的具体需求，选择PT100型温度传感器、土压力传感器以及位移传感器，试验中获取的数据利用DT515数据采集仪进行实时采集和整理。

1.3 试验模型的制作

在试验模型制作过程中，其总体顺序是在试验箱的内侧壁铺设水工布补水带，然后分层填土并压实，埋设温度传感器，温度传感器埋设在距离衬砌表面0.5m处[7]。再铺设保温板和混凝土衬砌板，安装位移传感器。温度传感器和位移传感器共15组，沿着渠坡等距设置，相邻两组的坡面间隔为22cm，自下而上分别编号为1～15。

在土方填筑过程中，其压实度标准为最大干密度的95%。针对前期土样的测定数据，其密度为1.46g/cm3。土方填筑须分层进行，每层厚度为5cm左右，每层填筑完毕后均需抽样测定干密度，保证土层的压实度。

试验中的温度传感器采用边填土边埋设的方式进行，随着填土施工的进行而逐层布设，位移传感器则在模型制作成型后安装在衬砌混凝土板的表面，并在合适的位置安装支架对传感器进行固定。

模型饱水采用水箱补水和灌溉补水相结合的方式进行[8]。具体而言，在模型制作完成之后，将试验土体进水饱水15d，待土体中的气体全部排出之后，再排空模型渠道中的多余明水，然后进行试验。

1.4 试验方法

此次模拟试验由降温阶段和恒低温阶段构成。其中，降温阶段的试验时间为0～36h，试验历时36h，环境温度为2.0～-15℃；恒低温阶段的试验时间为36～77.4h，试验历时41.4h，环境温度保持在-15℃。试验开始之后应该保证连续无间断进行，在降温之前应该对设备进行检查，保证其正常工作。试验完成之后对获取的试验数据进行整理和分析。

2 试验结果与分析

2.1 缺陷位置

保温板缺陷的位置会对渠道的冻胀量产生比较明显的影响。试验研究中保持缺陷大小为2cm不变，设计缺陷的位置分别在渠底到渠坡段垂直高度为0.2、0.4、0.6、0.8m 4个不同的部位进行试验，并以没有缺陷工况作为对比工况。根据试验结果整理出渠坡不同部位的温度和衬砌混凝土表面冻胀量数据，结果见表2。由表中的试验数据可以看出，当衬砌保温板存在缺陷时，缺陷所在部位的基土温度会明显降低，并向两侧逐渐升高，呈现出比较明显的对称分布状态，缺陷对渠基土温度的影响范围在0.5～0.9m；从冻胀量来看，缺陷周边区域的衬砌结构存在明显的冻胀量增大情况，且呈对称分布状态，影响范围也为0.5～0.9m，这与温度的变化与分布特征较为一致。从不同位置的试验结果对比来看，当缺陷位于0.4m部位时，缺陷部位的基土最低温度最小，而对应的冻胀量最大。由此可见，当保温板缺陷位于渠坡靠近渠底1/3部位时，其对冻胀量的影响最大。

表2 不同缺陷位置的温度和冻胀量试验数据

2.2 缺陷大小

保温板缺陷的大小也会对渠道的冻胀量产生比较明显的影响。试验研究中保持缺陷的位置在渠底到渠坡段垂直高度为0.4m不变，设置0.5、1、2、3、4cm 5种大小不同的缺陷进行试验，整理出渠坡不同部位的温度和衬砌混凝土表面冻胀量数据，结果见表3。由表中的试验数据可以看出，在保温板缺陷位置相同的情况下，缺陷的大小会对渠道衬砌结构冻胀产生显著的影响，缺陷越大，造成的冻胀越严重。具体来看，当缺陷小于2cm时，缺陷的增大并不会增加温度和冻胀量的影响范围，但是缺陷部位的最低温度值有所增大，冻胀量也有所减小；当缺陷大于2cm时，其对温度和冻胀量的影响范围会明显增大，缺陷部位的最低温度会显著下降，冻胀量也会明显增加。例如，当缺陷大小为4cm时，其影响范围会增大1.5m左右，而缺陷部位的最低温度会由2cm时的-5.5℃下降到-7.3℃，冻胀量也由5.2mm增大到7.7mm。

表3 不同缺陷大小的温度和冻胀量试验数据

3 结语

此次研究主要探讨了北方寒区衬砌保温板施工缺陷对渠道衬砌结构冻胀的影响。结果显示，缺陷的不同位置和大小对冻胀量存在一定的影响，当缺陷位于距离渠底1/3部位时的影响最大，缺陷大于10cm(按几何比尺折算)时，对冻胀量的影响会迅速增大，需要采取修补措施。研究结果对寒区渠道保温板设计施工以及后期维护具有重要的支撑作用，也可以为相关研究提供有益的借鉴。此次研究仅针对缺陷破损处完全贯穿的情况展开试验，而工程实践中大多数缺陷为厚度变小，在今后还需要在这方面进行进一步的研究和探索，以便获得更为科学和全面的成果。