基于气候学分析的寒区混凝土衬砌渠道冻害机理研究

李志刚 杨保存 杨晓松

(塔里木大学水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)



基于气候学分析的寒区混凝土衬砌渠道冻害机理研究

李志刚 杨保存 杨晓松*

(塔里木大学水利与建筑工程学院， 新疆 阿拉尔 843300)

为了进一步分析寒区渠道衬砌冻害机理，从气候学角度，基于能量平衡原理，采用原型观测试验，研究了渠坡日平均日照时长和太阳辐射量的分布规律及其与渠基冻结特征的关系。结果表明，试验条件下，渠坡横断面各部位冻结期日平均日照时长、总辐射和净辐射呈不对称不均匀分布；渠道从渠底靠近阴坡坡脚3/4处至整个阴坡，日平均太阳净辐射为负值，渠基能量处于亏损状态；阴坡平均冻深为阳坡的1. 5倍，阴坡平均冻胀量为阳坡的1. 7倍。渠基能量收支的横向差异产生的横向不对称不均匀分布的温度场是渠道冻害的主要原因。

能量平衡； 原型观测； 日照时长； 冻害机理； 横向不对称不均匀

衬砌渠道冻害问题一直是农田水利界关注的焦点[1]。已有的工程措施和理论研究主要集中于改变渠基土质、水分条件，减小衬砌板受力，改善基土温度场分布[2-8]等方面。这些研究在一定程度上能够很好的指导和解决寒区渠道衬砌冻害问题，但是，由于对渠基温度场形成和分布的变化规律研究不足，冻害问题依然存在。太阳辐射能量亏损是地表土体产生冻结的根本原因。Michel Dysli等[9]、Jones, C W[10]认为在地表平均风速不大的情况下，太阳辐射将是影响浅层土体温度最为重要的因素，工程建设中必须注意太阳辐射对土体冻结作用以及由此进一步引发的对其上部建筑的影响。显然，对于衬砌结构与外部环境(太阳辐射、气温、风速)，尤其是太阳辐射耦合作用下的冻害机理方面的研究尚属空白，而太阳辐射的作用是客观存在且复杂的。王正中等[11]初步考虑了太阳辐射的作用，仅仅是将其转化为等效温度，将衬砌板表面本应为第二、三类温度边界条件简化为第一类边界条件。基土温度场是多种气象因素作用的综合效应。由于自然环境变量很复杂，只用第一类热边界条件来确定和分析土体热状况是远远不够的。

针对温度这一土体冻结诱因，还原真实自然环境作用，采用原型观测试验，研究坡板太阳辐射分布规律及其影响下的渠基冻结特征，进一步讨论寒区渠道混凝土衬砌的冻害成因，对太阳辐射作用下的渠道冻害机理进行探讨，为广大寒区渠道以及其他水工建筑系统的防冻害新技术、新工艺的研究与开发提供新的思路。

1 原型观测试验

地表太阳辐射能量的收支决定着我国大片冻土区的形成与分布。寒区渠道衬砌的冻害，外部环境是先决条件。这些环境因素包括太阳辐射、气温、风速、地形遮蔽等。不考虑特殊情况，在渠道小空间范围内，气温和风速的影响可视为各向同性。进而，影响渠基冻结状态的主要因素为坡面吸收的太阳辐射量。为准确分析太阳辐射作用对渠基冻结的影响，于2014年11月～2015年1月在新疆南疆恰格拉克东干渠灌区混凝土衬砌渠道某典型东西走向梯形渠段进行针对性的原型观测试验。

1.1 研究区概况

恰格拉克东干渠灌区地处天上南麓，塔里木盆地西北缘，深居欧亚大陆腹地，远离海洋，气候干燥，降水稀少，光照充足，昼夜温差大，属典型的大陆型暖温带干旱气候。历年平均气温10. 3 ℃，历年极端最高气温38. 4 ℃，历年极端最低气温-27. 4 ℃，最冷一月平均气温-8. 7 ℃。多年平均蒸发量853. 9 mm，多年平均降水量70. 1 mm。土壤冻结时间一般从11月中旬开始，次年2月下旬开始解冻。历年最大冻土深度93 cm。

试验渠段为挖方渠道，设计渠深2. 5 m，底宽2 m，边坡系数1. 5。

1.2 试验设计

观测目标为阴阳坡顶、坡中、坡底和渠底中部的日照时长、太阳总辐射、太阳净辐射、冻深及冻胀量。

1.2.1 太阳辐射：太阳总辐射的测量使用总辐射表TBQ-2型，太阳净辐射的测量使用净辐射表TBB-1型。两者分辨率均为1 w/m2，准确度≤5%。在坡顶、坡中、坡底和渠底中部安置，通过GPRS网络将数据传送到指定的微机中，全天监测，数据采集时间间隔30分钟。

1.2.2 冻深：冻土器LQX-DT，在土体冻结之前开始埋设。

1.2.3 冻胀量：使用水准仪、位移传感器。水准仪用于校核各种固定装置，位移传感器安装于固定支架。每5天监测一次。

2 结果与分析

2.1 渠坡日照分布

为了直观形象描述渠坡日照分布特征，可绘制试验渠段坡面日平均日照时长见图1，坡面太阳总辐射与净辐射分布见图2-图3。横坐标1-7为渠道断面测点，1-3为阳坡坡顶、坡中和坡底；4为渠底中部；5-7为阴坡渠底、渠中和渠顶。

图1 渠坡日平均日照时长

图2 渠坡日平均太阳总辐射量

图3 渠坡日平均太阳净辐射量

在渠道“凹”形断面形式、宽深比及阴坡遮蔽等因素的共同作用下，冻结期渠坡表面日平均日照时长由阳坡坡顶至阴坡坡底逐渐减小，整个阴坡各部位日照时长相同。阳坡坡顶日平均日照时长最大，为10 h。阴坡最小，为1 h。图9中，阳坡段，由坡顶至坡脚，各部位日平均日照时长减小幅度较缓，平均为19. 8%。渠底段，由阳坡坡脚至阴坡坡脚，各部位日平均日照时长减小幅度较大，平均为59. 9%。

渠道横断面不同部位日照时长差异最直接的结果就是日平均太阳总辐射和净辐射差异。由图10、图11可以看出，日平均太阳总辐射和净辐射沿横断面的变化规律类似于日平均日照时长。由阳坡坡顶至阴坡坡脚，数值都逐渐减小。整个阴坡段，日平均太阳总辐射和净辐射都相同。阳坡段减小幅度较小，日平均太阳总辐射的减小幅度平均为11. 3%，日平均太阳净辐射的减小幅度平均为5. 5%。渠底段减小幅度较大，日平均太阳总辐射的减小幅度平均为36. 5%，日平均太阳净辐射的减小幅度平均为228. 8%。渠底段，日平均太阳净辐射大幅度降低，以至于从渠底靠近阴坡坡脚3/4处至整个阴坡坡，日平均太阳净辐射为负值。净辐射为负值，渠基能量处于亏损状态，绝对值越大，能量亏损越严重。

2.2 渠坡冻结特征

根据图1～图3，由于渠坡横断面上各部位接收太阳照射的时长不同，导致各部位接收的太阳总辐射和净辐射存在差异。进一步导致寒季渠基不同部位能量收支差异。渠基能量收支的横向不对称产生横向不对称的温度场。温度场横向不对称的宏观表现为冻胀量和冻深的横向不对称。很据原型实测资料，渠基冻深分布见图4，渠基冻胀量分布见图5。

冻深沿渠基断面呈规律分布，由阳坡坡顶-阳坡坡脚-阴坡坡顶，冻深先增加，后减小。阳坡坡脚冻深最小。阳坡坡顶虽然接收太阳照射的时间最长，基土吸收的能量最多，但是由于双向冻结作用，坡顶冻深依然较大，达到56. 5 cm。阴坡由于能量亏损最大，且坡顶处双向冻结，阴坡坡顶冻深达到整个渠基冻深的最大值，达到69. 3 cm。阴坡平均冻深67. 9 cm，阳坡平均冻深45. 6 cm，阴坡冻深为阳坡的1. 5倍。根据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23-2006)，当冻深≥10 cm时，渠道必须采取抗冻胀措施，防止冻害发生。

阴坡中部冻胀量达到整个断面的最大值，为6. 6 cm。阳坡坡脚由于坡板和底板的约束，冻胀量为整个断面最小，为2. 8 cm。阴坡平均冻胀量5. 9 cm，阳坡平均冻胀量3. 4 cm，阴坡冻胀量为阳坡的1. 7倍。根据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23-2006)，混凝土板衬砌渠道最大允许冻胀变形量为3 cm。可见，该观测渠段的冻深和冻胀量都已经超过了现行规范中所要求必须进行防冻害处理的界限值。实际渠道运行中，由夫于没有进行防冻胀处理，冻害严重，见图6。

图4 渠坡冻深分布图

图5 渠坡冻胀量分布图

图6

寒区渠道衬砌冻害严重，一直未能得到很好解决。应该回归冻害最基本诱因，从能量收支角度对冻害机理进行深入研究。通过分析，渠道由于坡向、宽深比和坡度等原因，横断面不同部位接收太阳照射的时长不同，进而导致不同部位渠基能量收支差异。渠基能量收支的横向差异产生横向不对称不均匀分布的温度场，宏观表现为不对称不均匀分布的冻深与冻胀量，最终衬砌发生冻害。温度场的横向不对称不均匀分布是寒区渠道衬砌冻害的主要原因。

3 结论与讨论

结合渠道太阳辐射原型观测试验，在试验条件下，进一步分析认为：

3.1 渠坡横断面各部位冻结期日平均日照时长、总辐射和净辐射呈不对称不均匀分布。阳坡最大，渠底次之，阴坡最小，且阴坡各部位数值相同。

3.2 在试验条件下，渠道从渠底靠近阴坡坡脚3/4处至整个阴坡，日平均太阳净辐射为负值，渠基能量处于亏损状态，阴坡能量亏损最为严重。

3.3 由于渠坡能量收支的横向差异，渠基冻深、冻胀量沿横断面呈不对称不均匀分布。冻深、冻胀量都以阳坡最大，渠底次之，阴坡最小。阴坡平均冻深为阳坡的1. 5倍，阴坡平均冻胀量为阳坡的1. 7倍。

3.4 根据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL23-2006)，该灌区混凝土衬砌渠道应该进行防冻害措施处理。

3.5 渠基能量收支的横向差异产生横向不对称不均匀分布的温度场，最终导致横向不对称不均匀分布的应力场和位移场，这是渠道产生冻害的主要原因。

以太阳辐射差异显著的东西走向渠道为研究对象，从气候学角度分析渠道衬砌冻害机理，为寒区渠道冻害防治理论提供了新的研究思路。实际灌区工程中的渠道走向是任意的，与赤道存在夹角。相同地理条件下，渠道的几何特征(宽深比、坡度)不同，阳坡、阴坡吸收太阳辐射的差异也是不同的。在具体的工程中需要结合工程实际进行冻害分析与防冻害处理。

进一步的工作应该围绕太阳辐射作用对土体冻结的影响、太阳辐射作用下渠道衬砌冻害机理及冻胀预报模型开展，进而充分利用这一自然资源，开发新断面，发明新工艺，解决寒区渠道衬砌乃至其他工程建筑物的冻害问题。

[1] 彭世彰,高晓丽.提高灌溉水利用系数的探讨[J].中国水利,2012(1):33-35.

[2] 余书超,欧阳辉,孙咏梅.渠道刚性衬砌受冻胀时的内力计算[J].中国农村水利水电,1999(10):21-23.

[3] 王正中.梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型研究[J].农业工程学报,2004,20(3):24-29.

[4] 王正中,李甲林,陈涛，等.弧底梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型研究[J].农业工程学报,2008,24(1):18-23.

[5] 申向东,张玉佩,王丽萍.混凝土预制板衬砌梯形断面渠道的冻胀破坏受力分析[J].农业工程学报,2012,28(16):80-85.

[6] 刘旭东,王正中,闫长城，等.基于数值模拟的双层薄膜防渗衬砌渠道抗冻胀机理探讨[J].农业工程学报,2011, 27(1):29-35.

[7] 王正中,刘旭东,陈立杰，等.刚性衬砌渠道不同纵缝消减冻胀效果的数值模拟[J].农业工程学报,2009,25(11):1-7.

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[9] Michel Dysli,Virgil Lunardini,Lars Stenberg.Related effects on frost action:Freezing and solar radiation indices[J].Grounding freezing97,1997:3-23.

[10] Jones,C W.Solar Radiation effects on Frost Action in Soils[J].Frost Action on Transportation Facilities, 1983:49-56.

[11] 王正中,芦琴,郭利霞,等.基于昼夜温度变化的混凝土衬砌渠道冻胀有限元分析[J].农业工程学报,2009,25(7):1-7.

Research on Frozen Damage Mechanism of Concrete Lining Canal Based on Climatology Analysis in Cold Regions

Li Zhigang Yang Baocun Yang Xiaosong*

(College of Water Conservancy and Construction Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

In order to further analyze frozen damage mechanism of lining Canal, daily average sunshine duration and solar radiation distribution laws of canal slopes and their relationships with canal foundation freeze characteristic were studied combined with prototype measurement from the perspective of climatology and the goal of energy budget. The results indicate that: solar radiation energy loss was the root cause of ground soil's freeze; the daily average sunshine duration, global and net solar radiation was lateral asymmetry and inhomogeneous in different parts of canal slope cross section; from three quarters of the canal bottom to the northern slope toe, the daily average net radiation was negative and canal foundation energy was under deficit; average frozen depth of northern slope was 1. 5 times deeper than that of southern slope, and average frost heave of northern slope was 1. 7 times greater than that of southern slope. The lateral asymmetry and inhomogeneous thermal field caused by lateral energy balance differences of canal foundation was the main reason of canal's frozen damage.

energy balance; prototype measurement; sunshine duration; frozen damage mechanism; lateral asymmetry and inhomogeneous

1009-0568(2016)04-0083-05

2015-10-28

国家自然科学基金地区项目(51168042)；塔里木大学校长基金项目(TDZKQNZD201505，TDZKQN201610)；塔里木大学大学生创新项目(2015028，2015029)。

李志刚(1982-)， 男，讲师，硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与技术研究。 E-mail：nwsuaf_yang@163.com

*为通讯作者 E-mail：taru_yang@163.com

S277；TV315

A

10.3969/j.issn.1009-0568.2016.04.013