引水渠道冬季土层温度及位移变化研究

刘玉杰

（甘肃水务清水供水有限责任公司，甘肃 清水 741400）

我国在20世纪60年代开展了大规模的渠道防冻胀工程建设，重点对大型灌区干渠和支渠等固定渠道进行了有计划防冻胀设计、建设，特别在北方冻土层较厚的灌区优先展开[1]，主要采用砂砾石换填、渠床压实、混凝土或者浆砌石防渗处理[2]，近年来，随着聚乙烯土工膜、复合防渗膜（复合土工膜）等膜材料利用的兴起，对减小渠道防冻胀工程造价，提高防渗效果明显。但在季节性冻土地区，由于渠道老化、工程质量问题等造成渗漏的渠道都不同程度存在冻胀破坏的现象[3-4]。

我国对于渠道冻胀理论的发展，在20世纪初期逐渐发展起来，李金玉等[5]发现影响混凝土衬砌渠道的主要因素有混凝土强度、地下水位深度、渠道输水制度、当地气候条件等。刘鸿绪等[6]探讨了冻胀力的定量关系，对其在区域尺度上进行扩展，得到不同利用特征下的转换关系。杨成松等[7]探索了渠道土壤含水量、地温以及渠道土壤的机械组成和容重等对渠道冻融破坏的关系，通过主成分分析法对其主要的影响因素进行了初步评价。本研究通过探讨外界温度与渠底温度的关系以及渠道冻胀位移变化，为灌区渠道衬砌工程防冻胀设计提供理论依据，用于指导工程实践，使灌区冻胀破坏在一定程度上得到有效缓解，使工程发挥尽可能大的经济效益。

1 材料与方法

渠道防渗层依次为C20混凝土预制+砂砾石垫层和C20预制混凝土+聚苯乙烯保温板（对比段渠道总长不少于50 m，观测点布设在其中段）。在渠道边坡的上部（75%L处，其中渠边坡长为L）、中部（50%L处）、下部（25%L处）及渠底（渠中心线处）布设变形观测点，在渠底中线上按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～80 cm处分段布置不同深度的地温观测点，用温度传感器测温。观测时段为2021年1月16日开始，2021年到3月28日结束。

2 结果与分析

2.1 外界温度与渠底观测点位的温度关系

从图1来看，外界气温的变化是引起渠底土壤温度变化的主要原因，在渠底不同深度地温随外界温度变化不尽一致。深度越小，渠道底部温度变化随着气温变化越剧烈，渠底20 cm以内深度土壤温度随着气温变化其变化幅度为0.5～4.8 ℃，而渠底20～40 cm以内深度该范围为1.2～3.8 ℃，40～60 cm深度土壤温度变化幅度更小，为1.5～3.6 ℃，而深度为60～80 cm的渠底温度，受气温变化影响较小，整体温度一直保持在3 ℃左右，说明气温对渠底80 cm以下土层温度的影响有限。总体来看，渠道底部温度均为零上，不会发生冻结，可以抵御一定的冻胀破坏，对渠道稳定有利，可以根据气温影响深度，采取不同的物理、化学等措施，进一步提高渠道的抗冻稳定性。

图1 渠底不同深度土壤温度与外界温度的关系

从表1可以看出外界温度既有零上正积温，也有零下负积温，表现为有正有负，从观测时间来看，累计正积温大于负积温，累计正积温为397.5 ℃，净积温为137.5 ℃，而渠道底部温度均为正积温，渠底深度为0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～80 cm累计正积温分别为142.3 ℃、166 ℃、192.6 ℃、227 ℃，随着深度的增加，累计正积温也逐渐增加，最大的为渠底60～80 cm，其分别较0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm大15.15%、26.87%、37.31%，而渠底各层累计负积温均为0 ℃，说明渠道底部各土层温度均大于0℃，不会形成冰层。

表1 外界温度积温及观测点位积温统计表（80 d）

2.2 渠底温度随时间变化

图2为渠道不同位置不同土层处土壤温度随时间变化情况，从图中可以看出，总体变化趋势相似，表层40 cm以上地温变化较为剧烈，60 cm为分界线，变化最小，分析其形成原因，主要与土壤含水率有关，水的比热容较大，温度变幅较小。但从图2来看，整个观测期，不同位置处各层土壤的正负积温相差较大，外界温度在试验观测期内累计正积温397.5 ℃，负积温-260 ℃，而其渠道不同位置各层土壤间积温不同，且相差较大，分析其主要原因与土壤含水率有关，受水分影响较大。

图2 渠底不同位置地温随时间变化情况

2.3 渠道冻胀位移变化

从图3可以看出，在3月7日之前，也就是外界气温低于0 ℃时，渠道在冻胀作用下，均处于抬升状态，从观测时间1月16日开始，随着时间的推移，渠底位移处于波动、下降的状态，最大抬升出现在1月26日，最大抬升量为7.2 mm，其次出现在2月5日附近，抬升量为6.4 mm，出现这种趋势，可能是跟大气温度有关，温度升高，渠底冻结水发生变化，渠底抬升值减小，反之，渠底抬升值增加。而在3月7日之后，渠道底部垂直位移变为负值，表明渠底发生了沉降，说明在天气回暖，气温大于0 ℃时，渠底部开始化冻，水 由固态变为液态时，体积减小，导致渠底出现沉降。

图3 渠道不同部位冻胀位移情况

从渠道水平位移图可以看出，不同部位随着时间的推移水平方向上位移变化差异较大，越靠近渠堤，当气温变化时，水平位移越大，渠堤处最大位移可以达到50 mm以上，其次是0.75 L处（L为边坡长度），最大位移也可达到25 mm，再次为0.5 L处，水平位移最大为15 mm，最小为0.25 L处，在气温发生变化，水平方向上的最大位移为10 mm左右。可见，距离渠底水平直线距离越大，在冻融作用下水平方向发生的位移越大，这可能和水平位移累加有关，在距离渠底水平距离较近的位置，水平方向发生位移的推移距离较小，在距离渠底水平距离较远的位置，水平方向发生位移的推移距离较大。另外，随着时间的推移，各处水平方向的位移也出现波动现象，渠堤处波动范围为-11～51 ℃，0.75 L处波动范围为-8.2～25 ℃，0.5 L处波动范围为-2～15 ℃，0.25 L处波动范围为-20～10 ℃，这和日气温有关，气温上升，土壤水分由固态变为液态，各处水平方向位移减小，反之，各处水平方向位移增加。

3 结论与讨论

距离渠底深度越小，土壤温度随着气温变化越剧烈，渠底20 cm以内深度土壤温度随着气温变化其变化幅度最大，为0.5～4.8 ℃，且渠道下部土层温度均为正积温。在3月7日之前，渠道在冻胀作用下，均处于抬升状态随着时间的推移，渠底位移处于波动、下降的状态，最大抬升量为7.2 mm；另外，越靠近渠堤，当气温变化时，水平位移越大，渠堤处最大位移可以达到50 mm以上。渠道基土冻胀发生变形后，当气温回升，土壤消融时又逐渐回沉，有的冻胀变形可能完全复原，或仅有少量沉陷，有的变形较大，不能完全复原，而剩余一部分变形量，剩余冻胀量是指经过一个冻融周期后，衬砌渠道未完全回复，所发生的变化量。其值的大小是直接反映渠道衬砌工程的破坏程度，同时也是反应不同衬砌材料、形式对冻胀变形的适应性。如果冻胀变形在消融期能完全回复或变形量甚微，则衬砌结构是安全的；否则，衬砌变形可能会逐年加重，对衬砌结构是很不利的。