孙雯，宋玲*，许清峰，陈新瑞，杨禹锟

(1. 石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子832003； 2. 新疆天富能源股份有限公司红山嘴电厂，新疆 石河子 832000； 3. 石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003)

由于新疆独特的地理环境和气候，有3～6个月处于冬季.对寒区渠道而言，长期输水过程中，受地下水的影响，基土含水率逐渐增高，在冻结作用中渠道基土发生冻胀，造成输水衬砌渠道破坏，不仅浪费了水资源，威胁工程的安全运行，还对国民经济造成了巨大的损失.

从19世纪20年代开始，人们对土体冻胀进行研究[1]，毛细理论[2]和冻结缘理论[3]的提出为后续研究奠定了理论基础.LI等[4-5]采用数值模拟、原位监测的方式，对渠道冻胀过程中的温度场和水分场进行了研究；周家作等[6]提出土体在冻结过程中因地下水埋藏较浅而存在明显的水分迁移和补给，称为开放系统条件下的土体冻结过程；肖旻等[7]对高水位的基土冻胀强度进行了计算；刘倩等[8]对寒区模袋混凝土衬砌渠道的受力问题进行了研究，但这些研究都只针对冬季不过水渠道.对于冬季过水渠道，宋玲等[9]建立了过水渠道的力学模型.陈瑞考等[10]对过水渠道的温度场、位移场和应力场进行了分析.

上述冬季过水渠道的已有成果是采用了力学分析和数值模拟，但没有相应的试验来验证相关成果，且目前也没有开展停水渠道和过水渠道的室内对比试验.基于以上不足，文中进行开放系统下衬砌渠道的室内模型冻结试验研究，以期为渠道冻胀理论探索和数值分析提供参考，并为类似工程的运行管理提供指导.

1 试验装置概述

如图1所示，渠道冻结试验装置由箱体、制冷系统、补水系统和控制与量测系统组成.箱体用于放置渠道等模型体，内部长×宽×高=160 cm×60 cm×70 cm，箱厚8 cm，在底部铺设5 cm厚的反滤透水边界，此边界由砂石、滤网和透水棉构成；制冷系统由压缩机、冷凝器、制冷管等组成，以制冷剂为介质进行能量的转换.制冷管用不锈钢螺丝和夹子固定在箱体上部25 cm高的空间内，将制冷区域设置在模型体的上部，冷气从上部慢慢下沉形成自然对流，模拟实际空气对流传热形式；补水系统由支架、马氏瓶、软管及其活动夹子组成；温度控制采用电子控温，调节范围为0～-30 ℃，当箱内温度过高时压缩机启动，制冷系统工作，将温度降低.当箱内温度降至设置要求温度时，压缩机自动断电.所用温度传感器为DLOG的温度自动记录仪，测温范围为-50～110 ℃，精度±0.3～±0.5 ℃，设置采样间隔为1 h.

图1 试验装置图

图2为传感器布置图，其中，数字11—48代表温度传感器位置标号，48为第4层第8列；C1，C2和C3代表测含水量的取样位置，分别是从渠坡底部起算的1/3坡板、2/3坡板和渠顶处垂直向下取样；L，R分别代表左、右渠坡.同时，进行过水渠道冻结试验时在渠内加水，渠内水温由加热器和温控盒(自带感温头)一起控制，参考以往研究中实测玛纳斯河二级电站引水渠的水温为0.5～2.8 ℃，设置本次模型试验的渠内水温在3.0～4.0 ℃.

图2 传感器布置图

2 试验方案

2.1 材料与方法

土样取自新疆某引水渠沿线，测出其基本性质.粒径级配d：2.000～1.000, 1.000～0.500, 0.500～0.250, 0.250～0.075, ≤0.075 mm分别为0.33%, 1.09%, 1.71%, 6.65%, 81.78%.液、塑限分别为30.47%和15.68%，最大干密度为1.62 g/cm3，最优含水率17.0%，该土样为含砂低液限黏土.将土样经风干、过筛等处理，按含水率为17%加水备样，充分搅拌均匀并闷料一昼夜.如图1b所示，将拌制好的土样分4层装箱，每次土层厚度为10 cm.接着按1.00∶1.75进行削坡处理，以1.8 cm厚的有机玻璃板作为渠道衬砌层.

2.2 方案设计

试验设计1号(无水)和2号(水深在1/3渠深处)2类模型，具体试验方案如表1所示，表中h0和w0分别为地下水埋深和初始含水率.

表1 试验方案

2.3 装置保温性能

温度控制采取阶梯式降温模式，过冷阶段：将温度设置为0 ℃维持8 h；快速降温阶段：降温至-3 ℃持续12 h，再调至-5 ℃维持12 h；低温恒定阶段：最后将温度控制在-8 ℃直至试验结束.为了保证环境温度不影响箱体模型的制冷效果，采用高密度的多元混合发泡材料作为模型的保温材料，并且在试验过程中监测室温，箱内左侧、右侧和中间部分的冷气温度，如图3所示，图中T为温度，t为时间.1，2号模型的箱内温度不受室内环境温度的影响，只与温控方案和冷气传递效率有关.

图3 模型保温效果图

3 试验结果与分析

3.1 模型温度场

图4，5分别为1，2号模型渠基土在试验初始、第35 h、第100 h和试验结束时形成的温度场.x，y代表坐标.由图4a可知，初始温度场分布较均匀，整体温度在17 ℃左右.试验初期基土内温度下降很快，到了第35 h时上部渠顶开始出现负温，此后负温继续向底部土体传递，等温线均分层分布，在x=50～110 cm范围内的基土等温线与渠槽平行，远离此区域的等温线近似水平分布，因为渠道断面形状是凹进的梯形，影响冷空气的流向，使得各部位进行热交换的时间和效率有所差异，从而使等温线分布规律不同.整个试验过程中基土内0 ℃等温线坐标范围为y=0～40 cm，说明在此模型中渠基土全断面发生了冻结.

图4 1号模型温度场

由图5可知，初始时刻基土内温度场与1号模型类似，在17 ℃左右.到第35 h时渠顶附近产生负温，与1号模型不同的是，坡板下基土内等温线垂直于渠槽轮廓线，这是因为2号模型渠底板与下1/3坡板构成的空间内，正温的水体代替了冷空气，水与基土交换热量的同时起到了保温作用.直至试验结束时因渠内水体的存在，使y=0～10 cm高度范围内基土温度仍为正温，最终冻结锋面到达y=10 cm附近.

图5 2号模型温度场

对比1，2号模型的温度场，梯形渠槽线的存在使得上部渠基土同时受到从渠堤处和坡板处2个方向传递的冷空气影响，而下部渠基土只有底板这个临空面传递冷气，渠基土与模型顶部的距离越近，受冷气影响效果越显著，渠基土上部冻结速率高于下部，且同高度处的基土温度也分布不均.不同之处：1号模型全断面基土内均有负温；2号模型的渠内水体温度处于相变温度以上，当模型顶部的冷空气传递至渠内水中时，正温的水体会吸收部分的冷气，使得冷气向水位面以下基土内传递的效率大幅降低；以水位线为分界线，水面上部基土暴露在冷气中，发生冻结，而水位面以下基土受渠内水的保护温度处于正温，水位面附近的区域温度波动较大，在实际工程中往往会在水面附近形成冻胀裂缝[9].

3.2 马氏瓶补水量

图6为马氏瓶累积补水量.由图可知，1，2号模型的马氏瓶累积补水量W随时间t变化分为3个阶段：快速补水、补水速率减小和几乎停止补水，最终的累积补水量分别为16 873 mL和16 051 mL.试验初始，土体处于非饱和状态，土颗粒表面有吸附水膜，在较大的温度梯度作用下，土体内水热变化剧烈，冻结锋面开始向下移动，马氏瓶内的水通过毛细作用大量向冷端迁移，使土体内冰含量增多，此阶段持续130 h.在130～190 h时2个模型的补水速率有所减缓，因为此时间段内基土中形成的冰会堵塞部分迁移通道，所以此阶段属于平缓补水.190～236 h期间温度场达到稳定，基土内热量传递很缓，2个模型中马氏瓶几乎停止补水.

图6 马氏瓶累积补水量

3.3 含水率

试验结束时，在沿渠坡底向上的1/3坡板(C1)、2/3坡板(C2)和坡顶(C3)处垂直钻孔取样，烘干测得含水率，L,R分别代表左、右渠坡，得到1号、2号模型的含水率w随土样高度h变化曲线如图7，8所示.

图7 1号模型含水率

由图7可知，左右坡板C1，C2，C3各位置下含水率均随试样高度降低呈增大的规律，且各高度处含水率均高于17%.但由于初始温度场变化剧烈，冻结锋面向下部移动过快，水分来不及大量迁移，使得y=25～40 cm高度内基土含水率变化幅度较小；随着试验的进行，冻结锋面继续下移，水分迁移的距离变短，水分迁移量增加，加之重力影响的水分重分布，y=0～25 cm高度内基土含水率增幅较大，并且从渠顶沿坡板向下含水率依次增大，这是由最终冻结锋面停留位置、马氏瓶所补水量和迁移水分量共同决定的.

由图8可知，C1位置处含水率随高度降低呈先增大后减小再增大的规律，且均大于17%，是由基土内发生的水热交换而导致，试验初期自由水发生冻结，温度继续降低使薄膜水和毛细水开始冻结，且整个试验过程中伴随着外界水源的补给和重力作用.C2和C3处基土含水率均是随着土体高度降低先增加后稍有减小.C1，C2和C3位置处均存在含水率峰值，且都位于y=10 cm附近，结合温度场可知此位置为冻结锋面最终到达处，表明水分迁移至此处出现了聚集现象.2类模型含水率峰值出现的位置不同，且各高度处的含水率大小不等，一方面1号模型基土全断面发生了冻结，马氏瓶所补水量相变为冰后，可自由迁移的水量变少.2号模型水位面以下的基土处于正温，不发生水冰相变，马氏瓶所补水分可自由运移.另一方面因为钻土取样的位置是渠道模型的正中间，在毛细作用、重力作用和土颗粒间的相互吸引下，水分的迁移除了竖向迁移也伴随着水平运移，所以冻后含水率的大小也与取样位置有关.在实际渠道建设中渠线应尽量避免穿过高地下水位，并在衬砌板下采取隔水等工程措施，减少水分渗漏.

图8 2号模型含水率

4 结 论

1) 负温条件下，不过水渠道和过水渠道在各时刻的渠基土温度场分布规律不同.过水渠道的渠基土仅在水位线附近及以上区域发生冻结，渠基土的冻结速率较不过水渠道的缓慢，冻深较浅.

2) 无论渠内是否过水，冻胀过程中水分既有垂向的迁移也伴随着水平向的运移，从渠顶沿着渠坡向下，渠基土含水率呈现增大的趋势，水分在冻结锋面处聚集，形成含水率峰值.

3) 渠道在冬季采取低水位运行，可避免渠底板发生冻害；冬季输水运行的渠道应在水面以上衬砌板下采取保温、隔热和防水的工程措施，为防止渠内水体结冰，应采取抽水融冰等措施.