聚苯乙烯保温板在渠道防冻中的应用

马瑞忠（新疆塔里木河流域阿克苏管理局，新疆阿克苏843000）



聚苯乙烯保温板在渠道防冻中的应用

马瑞忠
（新疆塔里木河流域阿克苏管理局，新疆阿克苏843000）

对渠道进行防渗处理可以有效的节省灌区农业用水量，提高水的利用效率。目前，一些地区采用聚苯乙烯保温板防止渠道出现冻胀破坏，提高渠道的使用寿命，这对于水资源紧缺的地区十分必要。基于国内外研究现状，首先阐述了渠道现状及存在问题，随后采用有限元法对无保温措施和使用聚苯乙烯保温板的渠道进行仿真。研究表明：使用不同厚度的聚苯乙烯板保温板的渠道，其冻胀量削减程度并不相同，最佳保温板厚度为边坡6cm，渠底3cm。

聚苯乙烯；渠道设计；保温板；防冻

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.031

对灌区渠道进行防渗处理可以提高灌溉用水的利用率［1］。但我国冬季温度较低，负温度对渠道有一定破坏力。季冻区内的渠道基土冻融可导致渠道出现渗漏，土壤中的水分冻胀导致基土膨胀，渠道衬砌出现裂缝、鼓包甚至折断。渠道衬砌出现冻胀破坏不但影响灌溉使用，而且还会增加维护费用，因此在冻土区修建渠道时，必须防止冻胀。但如何防止冻胀出现成为渠道工程中亟待解决的课题，对渠道进行冻胀量计算，开发新型抗冻措施仍是今后课题研究的重点。目前，一些地区采用聚苯乙烯保温板防止渠道出现冻胀破坏，提高渠道的使用寿命。基于国内外研究现状，本文首先阐述了渠道现状及存在问题，随后采用有限元法对无保温措施和使用聚苯乙烯保温板的渠道进行仿真。希望为今后渠道防冻设计提供帮助。

1 工程概况

本文研究的灌区平均海拔1100m，设计灌溉面积90万亩。目前有总干渠1条，渠道全长32.06km，年输水量180000万m3，担负着整个灌区内灌溉、下游灌区输水、水库引水等重要任务。干渠5条，渠道总长178.2km；支渠213条，渠道总长342km，支渠目前为混凝土梯形衬砌，纵坡0.5%～2%。这些混凝土衬砌渠道经过近40年的运行，老化、衬砌磨损很严重，大部分衬砌板存在渗漏，已无法满足过水需求，农作物长时间得不到有效灌溉，严重制约了灌区农业发展。因此需要对该渠系进行修复，目前该渠系存在的问题有以下方面［2-3］。

（1）渠道边坡和渠底磨损较为严重，多处存在大面积的衬砌剥落现象；

（2）梯形渠道出现了严重变形，存在拥包和凹陷，边坡生长的杂草严重影响通流能力；

（3）部分渠段的渠道超高较小，洪水期渠道安全性较差。

灌区气候干燥，降水量集中在夏季和秋季，昼夜温差最大可达20℃，为半干旱型大陆气候，年平均温度为8.9℃，年均降水量为354mm，年蒸发量达1824mm，最大冻土深度达1.1m。渠基土质为粉质黄土，透水性极好，地下水埋藏深度为4m，因此该渠系属于封闭性冻胀系统，对渠道冻胀情况进行测量，测量结果见表1。

表1 渠道冻胀情况

2 聚苯乙烯保温板对渠道的影响

2.1 模型建立

选择总干渠7km +059.71～7km +859.6段，合计800m渠道为研究对象，渠道纵坡共有3段，渠道纵坡4.54‰～8.97‰。从渠顶处向下取10m作为研究区域的下边界，左右取2.5m作为研究区域的侧边界，由前文可知阴坡、渠底、阳坡的最大冻结深度分别为84、51.3、74.6cm，因此将研究区域分为2部分，冻土区和未冻土区。

对于采用聚苯乙烯保温板和不采用聚苯乙烯保温板的混凝土衬砌渠道共设置6种模型作为研究对象。模型1为未铺设保温板的渠道，其余模型为铺设不同厚度保温板的渠道，其铺设方案具体情况见表2。通过对比不同厚度保温板渠道的温度场和应力场，即可得出每种铺设方案的冻胀量，通过对比切削冻胀量的程度即可得出最优方案。

表2 聚苯乙烯保温板铺设方案

对各种方案进行分析时采用稳态导热分析，因此衬砌及保温板的温度场分布只与保温板和衬砌的导热系数有关。由于土壤中水分的存在，导热系数并不是固定值，根据试验测量可知，渠道边坡50%处土体的含水量约为20%，渠道底部土体的含水量约为30%。查阅相关文献，20%含水量的土体导热系数为0.57W/（m·℃），30%含水量的土体导热系数为1.1W/（m·℃）［5］。根据线性分布原则，以这两处土体的导热系数为基准，进行线性插值，求得其他位置的导热系数。对于混凝土衬砌，取其导热系数为1.46 W/（m·℃）。鉴于地表5m以下土体含水量极高，部分渠段已接近地下水位，综合考虑地下水、电解质的影响，取其导热系数为4.67W/（m·℃）。

在进行力学性能分析时，通过膨胀系数来衡量渠道冻胀情况。渠道的冻胀率为η，月平均最低温度为Tmin，则膨胀系数为η/Tmin。冻土弹性模量和屈服强度对其力学性能有着重要影响，表3给出了冻土的力学性能参数。

表3 冻土的力学性能参数

聚苯乙烯保温板是一种良好的隔热材料，具有亲水性低，不透气、质量轻等优点。根据渠道防渗技术规范中的渠道保温板要求，本文采用的聚苯乙烯保温板密度为20kg/m3，吸水率仅为2.1%，压缩10%的压缩强度为0.24MPa，弯曲变形为25mm，70℃高温下2天后的变形率为4%，导热系数为0.035 W/（m·℃），完全符合规范中对保温板的要求。

2.2 边界条件

现状渠道断面为梯形断面，因此可以采用2维模型进行计算，耦合方式为直接耦合［6］。但是渠道运行40年，且每年进行维修，渠道形状已不规则，为了简化分析近似认为渠道为梯形断面。对于模型下边界，其温度可认定为恒定值，取当地平均温度8.9℃。对于模型上边界，其各个部位的温度并不相同，计算时需要考虑阴坡和阳坡的光照程度，由当地冻结期内的平均温度推导出渠道各个部位的温度。对于12月，阴坡温度为_4.98℃，阳坡温度为_3.65℃，渠底温度为_4.49℃。上边界采用自由边界，下边界为固定边界，左右边界为水平约束边界。

2.3 计算结果分析

根据实际情况，采用有限元法对各方案进行计算，计算结果见表4。

表4 各方案渠道削减冻胀量

从计算结果看，当保温板厚度为2cm时，各部分的冻胀量削减很少，不能满足防冻要求。增加保温板厚度，冻胀量削减情况明显提升，由于混凝土衬砌允许的最大冻胀量为1cm，当渠底保温板厚度为3cm时，已能达到防冻要求。同理可得出，阴坡、阳坡保温板厚度为6cm时，已能达到防冻要求。铺设保温板后，导热系数减小，提高了渠基土体和衬砌的温度，减少了水分迁移，因此铺设聚苯乙烯保温板具有较好的防冻效果。

3 结语

渠道衬砌出现冻胀破坏不但影响灌溉使用，而且还会增加维护费用，因此在冻土区修建渠道时，必须防止冻胀。基于国内外研究现状，本文首先阐述了渠道现状及存在问题，随后采用有限元法对无保温措施和使用聚苯乙烯板保温板的渠道进行计算。研究表明：当渠底保温板厚度为3cm，阴坡、阳坡保温板厚度为6cm时，渠道已能达到防冻要求；铺设保温板可以减小导热系数，提高渠基土体和衬砌的温度。

［1］于洪.渠道防冻胀中块石套砌加固措施的应用［J］.内蒙古水利，2015（02）：82-83.

［2］徐杰.新疆地区渠道衬砌混疑土抗冻胀设计［J］.陕西水利，2012（02）：92-94.

［3］李鹏，赵云，申世吉.大安灌区工程渠道衬砌型式的研究［J］.水利规划与设计，2014（04）：92-94 +98.

［4］赵云，李鹏.大安灌区总干渠工程的防冻胀措施［J］.水利规划与设计，2014（04）：95-98.

［5］陈雯龙.新疆混凝土防渗渠道冻胀破坏成因分析及防冻胀措施［J］.水利技术监督，2011（03）：45-47 +55.

［6］张建，梁小璇.新疆北疆某渠道设计在实际中的应用［J］.水利技术监督，2010（03）：62-64.

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1672-2469（2016）01-0096-02

2015-09-23

马瑞忠（1972年—），男，工程师。