季节性冻土区模袋混凝土渠道冻胀特征及防冻胀技术

孙杰 郭彦芬 程满金 霍轶珍 王俊

摘 要：为探明季节性冻土区模袋混凝土衬砌渠道冻胀特征，提出模袋混凝土渠道防冻胀技术，在内蒙古河套灌区模袋混凝土渠道开展了聚苯乙烯板防冻胀试验研究。通过原型渠道冻胀试验得出：在8 cm模袋混凝土基础上分别增加4 cm和7 cm模袋混凝土后，阴坡下部1/3处最大冻胀量削减率分别为17.32%和39.55%，阳坡下部1/3处最大冻胀量削减率分别为17.23%和41.23%;在8 cm模袋混凝土基础上分别铺设4 cm和12 cm聚苯乙烯板后，阴坡、阳坡下部1/3处最大冻胀量削减率分别为51.7%、89.5%和48.7%、90.5%。8 cm模袋混凝土条件下铺设12 cm聚苯乙烯板处理和15 cm模袋混凝土条件下铺设6 cm聚苯乙烯板处理均无残余变形，其他处理均出现不同程度的残余变形（0.2～1.8 cm）。渠道边坡下部1/3处的冻胀量最大，渠坡上部1/3处的冻胀量最小。

关键词：渠道;模袋混凝土;冻胀变形;聚苯乙烯板;防冻胀技术;季节性冻土区;河套灌区

中图分类号：S143;S278 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.031

引用格式：孙杰，郭彦芬，程满金，等.季节性冻土区模袋混凝土渠道冻胀特征及防冻胀技术[J].人民黄河，2021，43（7）：160-164.

Abstract： In order to find out the frost heaving characteristics of bagged concrete canal in seasonal frozen soil area and put forward the anti-frost heaving technology of bagged concrete canal， the experiment of preventing frost heaving of putting polystyrene board was carried out in Hetao irrigation area of Inner Mongolia. According to the frost heaving test of prototype canal， after adding 4 cm and 7 cm to the 8 cm bagged concrete， the reduction rates of the maximum frost heaving amount at the bottom 1/3 of the shady slope are 17.32% and 39.55% respectively， the reduction rates of the maximum frost heaving amount at the bottom 1/3 of the sunny slope are 17.23% and 41.23% respectively. After laying 4 cm and 12 cm polystyrene board on the base of 8 cm bagged concrete， the reduction rates of the maximum frost heaving amount at 1/3 of shade slope and sunny slope are 51.7%， 89.5% and 48.7%， 90.5% respectively. The residual deformation of 0.2-1.8 cm is found in the other treatment， but the treatments of laying 12 cm polystyrene under 8cm bagged concrete and laying 6 cm polystyrene under 15 cm bagged concrete which have no residual deformities. The maximum frost heave amount is located at the lower 1/3 canal slope and the minimum frost heave amount is located at the upper 1/3 canal slope.

Key words： canal; bagged concrete; frost heave deformation; polystyrene board; anti-frost heaving technology; seasonal frozen soil area;Hetao irrigation area

內蒙古河套灌区地势平坦，土壤以轻质壤土和粉质黏土为主，属中温带干旱气候区，地处季节性冻土地区，冬季寒冷少雪，夏季炎热少雨。渠道灌溉是河套灌区农牧业灌溉的主要方式。近年来，模袋混凝土作为一种新型衬砌材料在港口航道、河道以及渠道的护坡与防渗工程中广泛应用[1-9]，在河套灌区骨干渠道衬砌工程中也得到了大面积推广[10]。内蒙古河套灌区渠道衬砌中应用模袋混凝土厚度以8 cm、12 cm和15 cm为主，衬砌形式以预制U形槽、梯形断面弧形渠底、梯形断面弧形坡脚以及梯形断面为主。目前内蒙古河套灌区采用的模袋混凝土衬砌渠道均未采取防冻胀措施，针对冻胀问题未开展深入研究[11-21]。模袋混凝土衬砌渠道在经过多个冻融周期后，出现了不同程度的冻胀破坏等现象，渠道冻胀变形量较大。因此，本文针对目前河套灌区模袋混凝土衬砌渠道的冻胀问题，通过建立原型渠道不同保温处理试验段，引入聚苯乙烯板（以下简称“聚苯板”）保温防冻胀技术开展相关试验研究，探讨模袋混凝土衬砌渠道防冻胀技术。

1 材料与方法

1.1 试验区基本情况

杨家河干渠渠道为南北走向，水源为黄河水，多年平均年引水量为4.24亿m3。杨家河干渠属挖方渠道，渠道底宽16 m，顶宽24 m，渠深2.6 m，平均水深2.1 m，渠道边坡系数为1∶1.5，设计流量为43 m3/s，渠底坡降为1/8 000。渠道所属灌域为河套灌区永济灌域，地势平坦，地面坡降为1/2 000～1/10 000，地处干旱地带，冻结指数在600～1 200 ℃·d之间，冻深在0.8～1.3 m之间。每年11月中旬开始冻结，次年5月融通。试验区蒸发量大，降雨少，年平均气温7.7 ℃，无霜期160～180 d。

1.2 试验设计

试验段选择在河套灌区杨家河干渠（桩号30+380—30+490），试验段长110 m，试验段地下水位埋深为2.0～2.5 m。试验共设置11种不同保温结构形式断面，每种处理试验段长10 m。观测内容为渠坡冻胀量，观测时间为2016年11月15日—2017年4月15日。保温材料采用25 kg/m3聚苯板，其力学性能指标见表1。

在每个试验处理段的阴、阳坡分别对称布设冻胀变形观测装置，观测点按照平行于渠坡均匀布设，间距为20 cm。冻胀量采用人工观测，在渠顶埋设冻胀基准桩，在基准点安装三脚架，在三脚架上安装一根基尺，基尺平行于渠坡面，根据测定基尺与衬砌面板的距离换算出冻胀变形量。模袋混凝土渠道保温防冻胀试验处理见表2。模袋混凝土渠道保温防冻胀试验断面示意见图1。

通过开展不同模袋混凝土厚度条件下铺设不同厚度聚苯板保温试验研究，分析不同模袋混凝土条件下渠坡冻胀量变化特征，探求铺设不同厚度聚苯板对渠坡冻胀量的影响效应，为解决内蒙古河套灌区模袋混凝土衬砌渠道冻胀问题提供技术支撑。

2 结果与分析

2.1 不同模袋混凝土处理冻胀量变化特征

2016—2017年度杨家河干渠8、12、15 cm模袋混凝土条件下铺设不同厚度聚苯板处理阴坡和阳坡渠坡下部1/3处冻胀量随时间变化过程线见图2。

由图2可以看出，杨家河干渠3种厚度模袋混凝土处理后阴坡和阳坡冻胀量具有相同的变化规律：渠道边坡从11月底开始发生冻胀，随着时间的推移，冻胀量逐渐增大，到2月中旬达到最大冻胀量，之后逐渐减小，到4月15日前后冻胀基本消除。随着模袋混凝土厚度的增加，冻胀量逐渐减小，且阴坡的冻胀量大于阳坡的冻胀量。8 cm模袋混凝土条件下，铺设12 cm聚苯板的冻胀量随时间变化过程线最为平缓，表明其防冻胀效果最为明显;12 cm模袋混凝土条件下，铺设6 cm和8 cm聚苯板的冻胀量随时间变化差异不大，均可显著降低基土冻胀量;15 cm模袋混凝土条件下，铺设4 cm和6 cm聚苯板的冻胀量随时间变化差异不大，均可显著降低基土冻胀量。

2.2 模袋混凝土渠道应用聚苯板的防冻胀效果

统计2016—2017年度杨家河干渠3个无保温处理对比段阴（阳）坡下部1/3处冻胀量特征值、削减量和削减率，见表3。

由表3可以看出，陰坡8 cm模袋混凝土渠坡下部1/3处最大冻胀量为112.0 mm，分别增加4 cm和7 cm模袋混凝土后，最大冻胀量削减量分别为19.4 mm和44.3 mm，削减率分别为17.32%和39.55%;阳坡8 cm模袋混凝土渠坡下部1/3处最大冻胀量为97.5 mm，分别增加4 cm和7 cm模袋混凝土后，最大冻胀量削减量分别为16.8 mm和40.2 mm，削减率分别为17.23%和41.23%。

统计8 cm模袋混凝土条件下分别铺设4、6、12 cm聚苯板处理渠坡下部1/3处最大冻胀量、削减量和削减率，见表4。

由表4可以看出，在阴坡8 cm模袋混凝土基础上分别铺设4 cm和12 cm聚苯板后，最大冻胀量削减量分别为57.9 mm和100.2 mm，削减率分别为51.7%和89.5%;在阳坡8 cm模袋混凝土基础上分别铺设4 cm和12 cm聚苯板后，最大冻胀量削减量分别为47.5 mm和88.2 mm，削减率分别为48.7%和90.5%。通过表4与表3对比可知，在8 cm模袋混凝土基础上铺设聚苯板，该种方式的防冻胀效果显著大于增加模袋混凝土厚度方式的。可见，聚苯板应用在模袋混凝土衬砌渠道上，具有较好的防冻胀效果。

2.3 模袋混凝土对渠坡冻胀量的影响效应

将一个完整冻融期内8、12、15 cm模袋混凝土无保温处理渠坡下部1/3处最大冻胀量数据进行统计，在此基础上对模袋混凝土厚度与最大冻胀量进行数据拟合，得出杨家河干渠模袋混凝土厚度与最大冻胀量关系曲线，见图3;得出阴坡与阳坡最大冻胀量随模袋混凝土厚度变化的响应关系，见式（1）和式（2）。

式中：X为模袋混凝土厚度，cm;Y为渠坡下部1/3处最大冻胀量，mm。

由图3可知，模袋混凝土厚度与最大冻胀量呈线性关系，最大冻胀量随模袋混凝土厚度的增加而呈递减的趋势。通过式（1）、式（2）可定量计算出河套灌区既定厚度模袋混凝土渠道冻胀变形量，为研究模袋混凝土渠道冻胀提供技术支撑。

2.4 不同处理渠坡残余变形分布规律

残余变形又称不可恢复变形。结构在荷载时产生变形，卸载后变形只能部分恢复，不能恢复的那一部分变形就是残余变形。本试验对冻融期内试验渠段残余变形数据进行分析，绘制出阴坡和阳坡不同处理的残余变形分布图，见图4。

通过图4可以看出，8 cm模袋混凝土条件下，阴坡和阳坡对比段残余变形最大，达到1.8 cm和1.6 cm，而铺设12 cm聚苯板处理无残余变形;12 cm模袋混凝土条件下，阴坡和阳坡对比段残余变形分别为1.6 cm和1.5 cm，铺设6～8 cm聚苯板处理阴坡和阳坡残余变形分别为1.0～0.6 cm和0.6～0.4 cm;15 cm模袋混凝土条件下，阴坡和阳坡对比段残余变形分别为1.2 cm和1.0 cm，而铺设4 cm聚苯板处理阴坡和阳坡残余变形分别为0.4 cm和0.2 cm，铺设6 cm聚苯板处理无残余变形。

2.5 模袋混凝土衬砌渠道不同部位冻胀量分布特征

统计2016—2017年度杨家河干渠不同处理渠坡上部1/3处、渠坡1/2处和渠坡下部1/3处冻融期最大冻胀量，见表5。

绘制8 cm、12 cm和15 cm模袋混凝土条件下各个处理阳坡和阴坡上部1/3处、渠坡1/2处和下部1/3处3个不同部位最大冻胀量分布图，见图5。

由图5可以看出，渠坡下部1/3处的冻胀量最大，渠坡1/2处冻胀量次之，渠坡上部1/3处的冻胀量最小。从3个不同位置的冻胀量来看，无保温处理时上部1/3处、渠坡1/2处和下部1/3处的最大冻胀量差异最大，随着聚苯板厚度的增加，三者的差异越来越小，说明铺设聚苯板可以减小渠坡不同部位的冻胀差异，从而可以避免渠道因不均匀冻胀而产生的冻胀破坏。

3 结 论

通过开展模袋混凝土衬砌渠道不同厚度聚苯板的保温防冻胀试验，得出以下主要结论。

（1）8 cm模袋混凝土条件下，铺设12 cm聚苯板防冻胀效果最为明显;12 cm模袋混凝土条件下，铺设6 cm和8 cm聚苯板的冻胀量无明显差异;15 cm模袋混凝土条件下，铺设6 cm聚苯板处理防冻胀效果最好，铺设4 cm和6 cm保温板的冻胀量无明显差异。

（2）在8 cm模袋混凝土基础上分别增加4、7 cm模袋混凝土后，阴坡、阳坡下部1/3处最大冻胀量削减率分别为17.32%、39.55%和17.23%、41.23%;而分别铺设4、12 cm聚苯板后，阴坡、阳坡下部1/3处最大冻胀量削减率分别达到51.7%、89.5%和48.7%、90.5%。聚苯板应用在模袋混凝土衬砌渠道上，其防冻胀效果极为显著。

（3）通过模袋混凝土厚度与最大冻胀量数据拟合可知，最大冻胀量随模袋混凝土厚度的增加呈递减的变化规律。通过拟合的线性关系可定量计算河套灌区既定厚度模袋混凝土渠道冻胀变形量，为研究模袋混凝土渠道冻胀提供技术支撑。

（4）8 cm模袋混凝土条件下铺设12 cm聚苯板处理和15 cm模袋混凝土条件下铺设6 cm聚苯板处理均无残余变形，其他处理均出现不同程度的残余变形，残余变形量为0.2～1.8 cm。

（5）由渠坡不同部位的冻胀分布可知，渠坡下部1/3处的冻胀量最大，渠坡1/2处冻胀量次之，渠坡上部1/3处的冻胀量最小。铺设聚苯板可以减小渠坡不同部位的冻胀差异，从而避免渠道因不均匀冻胀而产生的冻胀破坏。

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【责任编辑 许立新】