季节性冻土区渠道衬砌防冻胀措施试验研究

赵 真，吕正勋，何芳婵

(1.灵宝市窄口库区管理局，河南 三门峡 472500； 2.河南省水利工程安全技术重点实验室，郑州 450003； 3.河南省水利科学研究院，郑州 450003)

1 概 述

根据冻土土体处于冻结状态持续时间的不同，一般可分为短时冻土、季节性冻土以及多年冻土[1-3]。在我国，季节性冻土分布范围广，约占国土面积的53.5%，主要分布在北纬30°以北地区，且大多数属于干旱半干旱水资源短缺地区。季节性冻土区的灌区输水渠道衬砌易受基土冻融循环作用产生破坏，影响防渗效果，造成大量水资源的严重浪费。

2 渠道衬砌防冻胀措施研究现状

在渠道防冻胀措施研究方面，目前主要集中在选择合理衬砌结构、材料、断面形式，同时应用换填、隔热、保温等削减或适应冻胀的措施[4-9]。如杨洪文[10]通过试验指出置换措施受田间回归水影响，置换层易被细颗粒淤塞而缩短工程寿命，且造价较高。张欣[11]等通过试验证明，苯板可提高渠基土温度，减小冻胀量，并建议铺设苯板厚度不低于6 cm，阳坡部位铺设厚度可适当减小。袁安丽[12]通过试验证明格宾网垫通过自身的形变可有效适应渠道边坡土体冻胀融沉所产生的变形，降低渠道边坡土体的冻前含水量，减小基土冻胀量，增加热阻。申莲[13]通过试验得出在非冻胀性土缺乏的地区与置换法相比，保温板方案在施工方法、适应范围、经济上具有明显的优越性。

如何找到一种既经济适用又能有效解决河南地区季节性冻土区的渠道衬砌冻胀问题，是本文研究的重点，笔者选择本省受冻胀影响较大的广利灌区进行多种形式的防冻胀措施试验研究，最终推荐一种既经济又有明显效果的防冻胀措施。

3 现场试验

广利灌区位于河南省西北部，属季节性冻土区，温带大陆性季风气候，年平均气温14.2℃～14.8℃，绝对最低气温-16.4℃。近年来，随着国家加大对灌区节水改造配套工程的投入力度，渠道进行混凝土衬砌改造发展得很快，数量越来越多，但渠道衬砌冻胀破坏问题时有发生，特别是在渠道阴面和地下水位过高的渠段，造成水资源的浪费和工程管理成本的增加。

3.1 试验设计

影响渠基土冻胀的主要因素为渠基土土质、水分条件、温度条件以及受力条件等，结合灌区情况，设计3种渠道衬砌结构形式的现场试验。通过温度传感器和含水量传感器监测渠道阴面水位以下和水位波动带，距离衬砌表面不同深度的地温、土壤含水率和地下水位。试验段渠道深3 m，正常输水位水深1 m。因此监测设备分别布在距渠底深50和100 cm，距坡面垂直深度20和50 cm处。具体的衬砌结构形式和监测仪器编号见表1。

表1 试验段渠道衬砌结构型式

3.2 观测数据与分析

试验观测周期为一个冻融周期，分别获取3种试验类型的气温、地温、土壤含水量、地下水位等数据。具体时间为当年12月7日至次年3月6日共计90天，其中负温天数69天，最低气温-9.0℃(发生时间是1月2日)，最高气温24.0℃(发生时间是3月6日)，高低温之差33℃。

3.2.1 地温监测结果分析

表2为观测期内地温的特征值。从表2可以看出，Q1，Q2，Q3方案的最高温度平均值分别是10.98℃，9.18℃，10.63℃，即Q1>Q3>Q2；Q1，Q2，Q3方案最低温度的平均值分别是-2.8℃，-0.83℃，-1.33℃，即Q2>Q3>Q1；Q1，Q2，Q3方案最高最低温度之差的平均值分别是13.78℃，10.00℃，11.95℃，即Q1>Q3>Q2。综合以上结果，保温效果最好的是Q2方案，其次是Q3方案，然后是Q1方案。表2数据纵向比较观测点1、2、3、4，水位变化区观测点的最低温度与水下观测点的最低温度相差0.5℃。从最低气温和最低地度的发生时间上分析，地温最小值的发生时间滞后于气温最小值的发生时间约40天左右。观测期地温是先降低后升高的趋势，地温与气温的变化规律一致。但气温最大最小值之差33℃，地温是10℃到13.78℃，小了将近20℃，地温的变化相对平缓很多。

3.2.2 含水量监测结果分析

表3为观测期内监测点的含水量情况。从表3可以看出，3种试验类型的起始含水量大部分已经达到15%，超过该种土壤的起始冻胀含水量，是造成冻胀加剧的首要原因。当灌区输水结束后，基土含水量基本已处于完全饱和状态，再加之此时该地区的日最低气温已经降至0℃以下，基土的表层已开始冻结。随着温度的下降，在冻土层内形成一个冻结锋面，随着温度持续下降，会有源源不断的水向冻结锋面不断迁移，使冻结层内水份大量聚集，造成基土的含水量持续增大，在负温下使得基土膨胀，从而造成冻胀更加严重。在融化期，随着地温的逐渐升高，基土也慢慢开始融化，冻土融化后基土的含水量也逐渐降低，冻胀慢慢减小，渠体复位，但是一般会有剩余冻胀量，逐年的剩余冻胀量累加会导致渠道衬砌的开裂破坏。

表2 地温监测结果特征值

表3 含水量监测结果特征值

从观测数据看，Q2方案和Q3方案在同样位置的含水量要低于Q1方案，说明保温板和土工布及碎石垫层，对降低衬砌下部的含水量有一定作用，对发生冻胀破坏有延缓作用。

3.2.3 地下水位监测结果分析

基土的含水量超过一定值时会发生冻胀，但若无地下水补给，冻胀量会较小，冻害较轻。如果冻结期间有地下水补给，水向冻结封面不断迁移，冻结产生的冻胀量会较大，对渠道防渗工程造成的破坏则更为严重。试验段地下水位观测具体见表4。

表4 地下水位监测结果

表4可看出，地下水位在渠道停水时最浅，在渠底以上0.8 m左右，随着时间的推移，地下水位在逐渐下降，进入冻结期，地下水位降至渠底以上0.3 m。在冻结期间，地下水位对渠道基土具有水分补给条件，这是造成基土冻胀量较大的主要原因，也是造成混凝土衬砌下部较中上部冻胀量大的主要原因。在这种情况下，采用保温措施，目的就是减少冻层深度，减弱或消除基土薄膜水的存在，以降低基土含水量，减弱或摆脱地下水对冻结峰面的补给，从而减少基土冻胀量。

4 结 语

含水量和温度是造成土体冻胀的必要条件，当土中含水量达到该土的起始冻胀含水量并存在负温时才会出现冻胀。从3种试验方案的监测数据分析来看，Q2方案和Q3方案在保温性和减少基土含水量方面都有很好的效果，不仅可以减小冻胀量还可以缩短冻胀发生的时间。另外，保温板和碎石层对于减小基土冻胀对混凝土衬砌的破坏都可以起到一定的缓冲作用。