渠道衬砌结构保温板施工缺陷对抗冻胀性能影响的试验研究

孙黎强

(山东省滨州市引黄灌溉服务中心,山东 滨州 256600)

在北方季冻区，由于冬季冻结期的持续时间较长，气温较低，输水渠道的渠基土在长期低温作用下极容易产生冻胀。我国季节性冻土分布范围约占全国国土面积的54%，而东北和西北地区每年有将近1/4的时间存在季节性冻融现象，输水渠道和衬砌结构也会因此产生不同程度的冻胀破坏，这不仅会在渠道输水过程中浪费大量宝贵的水资源，同时也会造成渠道的渗漏破坏[1]。为了解决这一问题，国内外学者和工程界提出诸多输水渠道防冻胀思路和工程技术措施[2]。目前，采用最多也最为有效的措施是在渠道衬砌板下方铺设保温板抗冻胀。保温板一般具有质量轻、耐压和保温等诸多优良性能[3]。保温板的类型比较多，其中造价较低、使用最广泛的是聚苯乙烯泡沫板。目前，针对聚苯乙烯保温板的抗冻胀性能研究一般均针对完整的保温板展开，但是在具体的工程实践中，由于安装、运行中的诸多因素的影响，特别是施工过程中的固定和踩踏，往往会出现以减薄为主要表现形式的缺陷[4]。造成保温效果显著下降，并影响到局部防冻胀效果。基于此，此次研究通过室内物理模型试验的方式，探讨保温板缺陷对衬砌结构抗冻胀性能的影响，以便为工程施工和维护提供有益的支持和借鉴。

1 室内模型试验设计

1.1 试验装置和相关设备

此次试验通过室内模拟试验的方式进行，结合室内场地和试验要求，采用长4.5m、宽3.0m、高1.5m的模型试验箱。模型试验箱的底层主要由三层构成，第一层为加热板层，主要由直径2cm的铜管弯曲铺成；第二层下部为5cm厚的砂垫层，上部为无纺布；第三层为补水层。先将弯曲的塑料管均匀铺设，并在其周围铺上粒径5cm左右的卵石，最后利用无纺布将塑料管覆盖。上述箱底结构的主要作用是模拟输水渠道在自然工况下的单向冻结和融化环境条件[5]。试验的数据采集系统主要包括DT615型数据采集仪，PT100温度传感器、WDL位移传感器等，主要用于试验过程中渠基土的冻胀量和温度测量。

进行物理模型试验，首先需要确定相关的模型比尺。综合考虑试验箱的尺寸和实际模型尺寸，模型的几何比尺确定为1∶4；根据实际工程的冻结条件以及实验室内能够提供的温度范围，将模型的温度比尺确定为1∶1，时间比尺确定为1∶16[6]。试验所用的土体来自于工程现场，并按照水利部的相关要求对其主要力学指标进行检验，其土壤类型为含沙低液限粉土，土粒比重为2.65g/cm3，填土控制干密度为1.54g/cm3，最大干密度为1.67g/cm3，最优含水率为13.2%。试验用保温材料为聚苯乙烯泡沫板，按照几何比尺换算，其厚度为2cm。

1.2 模型制作

结合北方寒区的气候特征，试验中将地表温度控制在-15～2℃，试验的环境温度控制在-20～5℃，该温度控制方案可以保证试验中的土体温度和工程现场的实际情况基本一致[7]。

在试验模型制作过程中，首先在试验箱内填筑和夯实试验现场取得的土样，并将位移和温度传感器按照预设位置埋设到相应的部位。然后，按照背景工程渠道的几何尺寸和模型比尺，在土体上开挖出梯形渠道，在渠坡部位铺设聚苯乙烯保温板，并在其上部铺设混凝土衬砌板。在铺设完工后静置48h，然后对试验箱进行饱水处理，以达到和野外环境相似的效果；保持实验室内的温度恒定，在土体内部温度达到8℃左右时，准备开始降温处理。

1.3 试验方法

为了模拟冬季输水渠道基土冻胀情况，试验设计降温和恒低温两个试验阶段[8]。其中，降温阶段历时68h，环境温度由8℃，逐步降低至-20℃；恒低温阶段持续142h，环境温度维持-20℃不变，试验总历时为210h。在试验开始降温之前，需要对各种试验仪器进行仔细检查，保证试验能够持续不间断进行。在试验中要做好温度监控工作和试验数据的记录工作。

1.4 试验方案

结合相关研究成果，研究中选择三个影响冻胀量的保温板缺陷因素，分别为保温板缺陷位置，保温板减薄深度以及保温板减薄面积。其中，缺陷位置设置靠近渠坡顶部1/3部位(位置1)、渠坡中部(位置2)以及靠近渠坡底部1/3部位(位置3)；保温板减薄深度设置0.5、1.0、1.5、2.0cm(贯穿)4种不同水平；减薄面积以减薄范围的最大直径衡量，设置2、4、6、8、10cm五种同水平。考虑到试验场地和时间的因素，试验中采用固定两个因素，探讨第三个因素影响的方式进行。为了对比分析缺陷因素的实际情况，试验中以无缺陷方案作为对比工况。

2 试验结果与分析

2.1 缺陷部位

试验中保持缺陷深度1.5cm、缺陷大小6cm不变，对不同缺陷部位设计方案进行低温冻胀试验，根据试验中的数据，整理获得缺陷中心部位温度和冻胀量的分布柱状图，结果分别如图1—2所示。从图1—2可以看出，保温板存在缺陷会增加渠基土和环境之间的热交换，从而降低缺陷部位的渠基土温度，增加该部位的冻胀量。在渠坡不同位置的保温板缺陷对缺陷中心部位的温度和冻胀量的影响程度存在一定的差别。总体来看，缺陷的部位越靠近渠坡顶部，保温板缺陷的影响就相对较小，越靠近渠坡的底部，保温板缺陷的影响就越大。以冻胀量为例，当缺陷分别位于渠坡上部、中部和下部时，无缺陷冻胀量分别为4.8、5、5.2mm，有缺陷方案冻胀量分别为5.2、5.6、6.5mm，分别增加了约8.33%、12.00%和25.00%。由此可见，靠近渠底1/3部位的保温板缺陷，会显著增加缺陷部位的冻胀量，在工程施工和维护中要予以更多的关注。

图1 不同减薄位置温度柱状图

图2 不同减薄位置冻胀量柱状图

2.2 缺陷深度

试验中保持缺陷位于位置3(靠近渠底1/3部位)，缺陷大小6cm不变，对不同缺陷深度方案进行试验，根据试验中获取的数据，绘制出缺陷中心部位温度和冻胀量随缺陷深度的变化曲线，结果如图3—4所示。由图3—4可以看出，保温板缺陷的减薄厚度也是影响缺陷部位温度和冻胀量的重要因素，与对比方案相比，保温板减薄会显著降低减薄部位的温度，同时增加减薄部位的冻胀量。从具体的变化趋势来看，随着减薄后的增加，缺陷中心部位的温度会呈现出缓慢下降后迅速下降的变化特点，而冻胀量则呈现出先缓慢上升后迅速上升的变化特点。当减薄厚度小于1cm，也就是减薄厚度不超过保温板厚度一半时，减薄缺陷对减薄部位温度和冻胀量的影响不大，当减薄厚度超过保温板厚度一半时影响较大，特别是缺陷属于穿孔时，缺陷部位的温度会急剧降低，而冻胀量会急剧增加。

图3 温度随减薄厚度变化曲线

图4 冻胀量随减薄厚度变化曲线

2.3 缺陷大小

试验中保持缺陷位于位置3(靠近渠底1/3部位)，缺陷深度为1.5cm不变，对不同缺陷大小方案进行试验，根据试验结果，绘制出缺陷中心部位温度和冻胀量随缺陷大小的变化曲线，结果如图5—6所示。由图5—6可以看出，缺陷大小也是影响冻胀量的重要因素。从具体的变化趋势来看，随着减薄缺陷的变大，缺陷中心部位的温度呈现出先小幅下降后迅速下降的变化特点，特别是缺陷最大直径大于6cm时，温度下降极为迅速；冻胀量的变化也呈现出类似的规律，当缺陷直径小于6cm时，冻胀量的增大相对比较缓慢，当缺陷直径大于6cm时，冻胀量会急速增大。

图5 温度随缺陷大小变化曲线

图6 冻胀量随缺陷大小变化曲线

3 结语

铺设聚苯乙烯保温板可对有效预防和缓解寒区输水渠道冻胀破坏，保证渠道的耐久性和功能发挥具有重要意义。但是，保温板在施工过程中往往会存在不同程度的缺陷。基于此，此次研究通过室内模拟试验的方式，探讨了保温板缺陷对衬砌结构冻胀的影响。结果显示，不同的缺陷部位、深度和大小均会对渠道衬砌结构的冻胀变形产生显著影响，并根据试验结果提出了工程建设和维护方面的具体意见和建议。当然，此次研究通过室内试验的方式获取，在今后还应该依托具体工程展开室外现场试验，以验证结论的科学性，为工程设计建设和运行维护提供有力的支持。