甄玉龍

(甘肅省張掖市水務(wù)局，甘肅 張掖 734000)

我國西北旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展主要依賴灌溉水資源，目前灌溉用水一般采用渠道輸送，由于渠道襯砌材料不同，造成輸水過程中產(chǎn)生滲漏量不同，其中傳統(tǒng)土渠滲漏損失較大，而采用混凝土襯砌渠道可以減少60%的滲漏損失。同時(shí)，西北寒旱區(qū)海拔較高，冬季土層內(nèi)平均溫度可達(dá)0℃以下，導(dǎo)致渠道土體中產(chǎn)生大量冰介質(zhì)，不但造成渠道凍脹，使襯砌產(chǎn)生較大位移，引發(fā)渠道滲漏，而且在持續(xù)低溫環(huán)境下使渠道與凍土形成整體，當(dāng)凍土受力發(fā)生變化時(shí)，渠道襯砌的結(jié)構(gòu)關(guān)系、力學(xué)性能、彈性模量也會(huì)相應(yīng)變化，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致襯砌凍裂和融沉。本文首先對(duì)襯砌渠道的滲漏凍脹機(jī)理進(jìn)行分析，隨后重點(diǎn)對(duì)寒旱區(qū)渠道新型防凍防滲結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，旨在為西北寒旱區(qū)消減渠道凍脹提供理論依據(jù)。

1 渠道的凍脹機(jī)理

1.1 凍脹破壞特征

混凝土梯形斷面是輸水渠道應(yīng)用最為常見的斷面類型，然而梯形渠道襯砌結(jié)構(gòu)也是凍脹最為嚴(yán)重的斷面[1]。渠基凍脹容易受外界低溫環(huán)境、地下水埋深、渠床水分含量、渠道水量滲漏等影響。在冬季負(fù)溫條件下，外界冷空氣通過渠道襯砌結(jié)構(gòu)與渠基土發(fā)生熱量交換，當(dāng)渠基土的溫度達(dá)到凍結(jié)溫度時(shí)，渠基土發(fā)生凍結(jié)膨脹[2]。隨著渠基土的進(jìn)一步凍結(jié)膨脹，當(dāng)渠基土的凍脹力大于渠道襯砌結(jié)構(gòu)的約束力時(shí)，渠道的襯砌結(jié)構(gòu)將發(fā)生凍脹隆起。當(dāng)氣溫回升后，隨著渠基土水分的融化、蒸發(fā)流失，渠道的襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)塌陷變形，同時(shí)由于凍脹破壞了渠道襯砌結(jié)構(gòu)之間的粘聚力和摩擦力，從而渠坡面的混凝土預(yù)制板出現(xiàn)了滑移，渠道襯砌結(jié)構(gòu)遭受破壞[3- 4]。此外，渠道凍脹量主要出現(xiàn)在渠道基底中部和渠坡面的1/3處，當(dāng)水渠渠道走向出現(xiàn)不同陰陽坡面時(shí)，其陰坡渠道的凍脹量大于陽坡渠道的凍脹量。尤其對(duì)于地下水位較高的渠段，渠道的凍脹更為明顯[5- 6]。

1.2 凍脹破壞形式

C20號(hào)混凝土具有抗壓強(qiáng)度大、抗拉強(qiáng)度小等特性，因此對(duì)于拉伸變形不能適應(yīng)。當(dāng)土體發(fā)生凍結(jié)時(shí)，在凍脹力作用下會(huì)破壞襯砌，其破壞形式主要有以下4種：

(1)裂縫和鼓包。外界環(huán)境溫度較低時(shí)，襯砌會(huì)與凍土凍結(jié)粘連，故襯砌板在承受凍脹力、凍結(jié)力的同時(shí)其本身也會(huì)產(chǎn)生溫縮應(yīng)力。如果混凝土襯砌的最大抗拉應(yīng)力小于混凝土板溫縮應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生裂縫。由于裂縫很難恢復(fù)，且各裂縫在相互擠壓狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生局部破碎，在持續(xù)使用渠道過程中則會(huì)發(fā)生滲漏現(xiàn)象，當(dāng)水分持續(xù)滲透到渠基后會(huì)出現(xiàn)較大的鼓包。

(2)隆起與架空。當(dāng)渠道地下水位較高時(shí)，水分會(huì)向凍土方向發(fā)生遷移，此時(shí)渠頂?shù)膬雒浟颗c渠基凍脹量相差較大，由于凍脹發(fā)生不均勻，則同時(shí)出現(xiàn)隆起與架空現(xiàn)象，其中在渠底中部或者坡腳部位更容易出現(xiàn)。

(3)滑塌。坡腳襯砌出現(xiàn)隆起與架空后，如果坡腳不能支撐襯砌板，則可能發(fā)生失穩(wěn)狀況。上部襯砌在春季凍土融化時(shí)容易引起錯(cuò)位與滑坡，致使渠道發(fā)生大面積塌陷。

(4)整體上抬?；羶雒浽谏疃刃∮?m的渠道中凍脹較為均勻，很難出現(xiàn)整體上抬的情況。但在凍脹初期襯砌完整的小型U型渠道很容易出現(xiàn)整體上抬。

2 防凍防滲結(jié)構(gòu)

2.1 自保溫混凝土預(yù)制板

傳統(tǒng)的渠道設(shè)計(jì)為了減少渠系水的滲漏，通過在渠道斷面上鋪設(shè)混凝土預(yù)制板的方法來阻止渠系水向渠床的滲漏，但處于季節(jié)性凍土區(qū)的渠道由于冬季凍結(jié)和春季融化的作用，渠道的襯砌結(jié)構(gòu)容易遭到破壞，從而喪失了渠道的防滲作用。為了解決渠道凍脹破壞的問題，研究者發(fā)現(xiàn)通過在渠道上鋪設(shè)保溫板襯砌結(jié)構(gòu)能夠阻止渠道的凍脹[7]。這是由于保溫板導(dǎo)熱系數(shù)低，保溫效果好，能夠有效地削弱渠床與大氣之間的熱量交換，從而起到防止渠道凍脹的作用。

采用保溫板作為渠道的襯砌材料在實(shí)際工程中，渠道的襯砌結(jié)構(gòu)為“預(yù)制混凝土板+砂漿過渡層+防滲膜料+保溫板”，這種模式能夠有效的降低渠道的凍脹，但同時(shí)存在一個(gè)顯著的問題，即工程施工工序較為復(fù)雜，且在施工過程中容易損壞保溫板。此外，以往研究渠道襯砌結(jié)構(gòu)只是獨(dú)立的研究渠道防凍和防滲問題，尚未采用將各種材料相結(jié)合的方式來解決渠道的滲漏、凍脹問題。自保溫混凝土預(yù)制板就是在混凝土板預(yù)制過程中加入保溫板，不僅可以減輕渠坡面混凝土預(yù)制塊的重量，而且能夠減小混凝土預(yù)制板的導(dǎo)熱系數(shù)，阻礙了冷空氣通過渠道襯砌結(jié)構(gòu)傳入渠基土發(fā)生熱量交換，從而降低了渠基土的凍脹，保護(hù)了渠道襯砌結(jié)構(gòu)。

自保溫混凝土預(yù)制板是由混凝土和保溫板組成的雙層預(yù)制板，其綜合導(dǎo)熱系數(shù)決定著自保溫混凝土預(yù)制塊的保溫性能，通過公式推導(dǎo)，可計(jì)算得出自保溫混凝土預(yù)制板的有效導(dǎo)熱系數(shù)。

2.1.1導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算

十九世紀(jì)初期，傅里葉導(dǎo)出了熱傳導(dǎo)平衡微分方程[8]，傅里葉熱傳導(dǎo)方程適合于穩(wěn)態(tài)的導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算。由Agari[9]提出的熱傳導(dǎo)模型(如圖1所示)可知，自保溫混凝土預(yù)制板的混凝土和保溫之間的熱流傳導(dǎo)方向是垂直的，可以看做是串聯(lián)關(guān)系。在計(jì)算自保溫混凝土預(yù)制板中假設(shè)熱量在混凝土內(nèi)部中各點(diǎn)的傳熱速率是相同的，保溫板亦是如此。

圖1 熱傳導(dǎo)模型

傅里葉的熱傳導(dǎo)方程:

λm=Q·d/(A·Δt)

(1)

假設(shè)給定一定的熱量混凝土所用的時(shí)間:

(t1-t2)=(Q·d1)/λ1·A

(2)

給定相同的熱量保溫板所用的時(shí)間：

(t2-t3)=(Q·d2)/λ2·A

(3)

熱量傳導(dǎo)混凝土和保溫板所用的時(shí)間：

(t1-t3)=(Q·d2)/λ2·A+(Q·d1)/λ1·A

(4)

把自保溫混凝土預(yù)制板雙層材料看做是一層材料，其導(dǎo)熱系數(shù)：

λm=(Q·d)/·[A(t1-t3)]

(5)

將公式4代入到5中可得自保溫混凝土預(yù)制板的綜合導(dǎo)熱系數(shù)：

λm=(d1+d2)/ (d1/λ1+d2/λ2)

(6)

式中，λm—自保溫混凝土預(yù)制板的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)；d—自保溫混凝土預(yù)制板的厚度，mm；λ1—混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)；λ2—保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)；d1—自保溫混凝土預(yù)制板中混凝土的厚度，mm；d2—自保溫混凝土預(yù)制板中保溫板的厚度，mm；

將各參數(shù)代入公式6計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)見表1。

2.1.2自保溫混凝土預(yù)制板性能分析

從表1中可看出同樣厚度的自保溫混凝土預(yù)制板和普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.068、1.51W/(m·k)。采用自保溫混凝土預(yù)制板的綜合導(dǎo)熱系數(shù)相比采用同樣厚度普通混凝土預(yù)制板導(dǎo)熱系數(shù)下降了95.5%，極大地降低了襯砌材料導(dǎo)熱系數(shù)，削弱了冬季冷空氣通過渠道襯砌結(jié)構(gòu)與渠道土發(fā)生冷熱交換，降低了渠基土的凍脹量，從而保護(hù)了襯砌結(jié)構(gòu)。此外，采用自保溫混凝土預(yù)制板可以大大地提高渠道施工進(jìn)度，縮短渠道的工期。

表1 自保溫混凝土預(yù)制板厚度和導(dǎo)熱系數(shù)

自保溫混凝土預(yù)制板是在混凝土預(yù)制塊中加入防滲的保溫板，其不僅降低了襯砌結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)，而且減輕了混凝土預(yù)制塊的自重。自保溫混凝土預(yù)制板與傳統(tǒng)的400mm×600mm×80mm混凝土預(yù)制板比較該預(yù)制塊增大了0.0048m3，但其重量減輕了2.7124kg。預(yù)制塊重量的減少和體積增大有利于渠道襯砌層自身穩(wěn)定，減小了渠道坡面的重量，提高了渠道坡面的穩(wěn)定性。

2.2 渠道防凍防滲復(fù)合層

針對(duì)渠道的襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹破壞，通常采用了凍脹消減的原理來處理渠基土的凍脹問題。即在渠道鋪設(shè)一定厚度導(dǎo)熱系數(shù)低、保溫性能好特性的材料，能夠削弱外界的冷空氣通過襯砌結(jié)構(gòu)與渠基土發(fā)生冷熱交換，從而減小渠基土的凍結(jié)膨脹，渠道襯砌結(jié)構(gòu)免于遭受破壞[10]。常采用保溫板襯砌材料渠道的襯砌結(jié)構(gòu)為“預(yù)制混凝土板+砂漿過渡層+防滲膜料+保溫板”和“預(yù)制混凝土板+砂漿過渡層+保溫板+防滲膜料”兩種襯砌方式，兩種襯砌方式在實(shí)際的工程中渠道防凍脹效果顯著。

傳統(tǒng)解決渠道的凍和滲問題的方法，都只是單獨(dú)的解決。渠道的滲漏的問題通常通過斷面襯砌混凝土來解決，而對(duì)于防凍的解決措施，通過在渠道襯砌結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)一定厚度的保溫板來阻止熱量的交換，削弱渠基土的凍結(jié)深度來實(shí)現(xiàn)的。采用上述方法在一般的渠道地區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)渠道的防凍脹、防滲漏要求，防止襯砌結(jié)構(gòu)被破壞。因此，阻止水分進(jìn)入保溫板是保證渠道襯砌結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵所在，同時(shí)應(yīng)該將渠道的凍和滲相結(jié)合起來考慮，提出一種新型材料：防凍防滲復(fù)合層。防凍防滲復(fù)合層是用土工布將整個(gè)保溫板六面環(huán)包，從而形成了防凍防滲復(fù)合層。保溫板外部的土工布(一布一膜)可以起到保溫而且防滲的作用，阻止了渠系水的水分的滲漏和土壤水進(jìn)入保溫板，保證了保溫板的保溫機(jī)能發(fā)揮到最佳狀態(tài)。

渠道的邊坡淺層穩(wěn)定性與預(yù)制板、保溫板、防滲層和墊層材料之間的摩擦特性有關(guān)，傳統(tǒng)的襯砌結(jié)構(gòu)為“混凝土預(yù)制板+砂漿+保溫板+防滲層”，各種襯砌材料之間都是相對(duì)獨(dú)立的。而采用防凍防滲復(fù)合層作為渠道襯砌結(jié)結(jié)構(gòu)時(shí)，渠道整體的襯砌結(jié)構(gòu)為“混凝土預(yù)制板+砂漿+防凍防滲復(fù)合層”。防凍防滲復(fù)合層相對(duì)于傳統(tǒng)的襯砌“保溫板+防滲層”，其作為一個(gè)整體，阻止了保溫板與土工布之間的滑移，防凍防滲復(fù)合層外的土工布與黏土之間的粘聚力增大，且復(fù)合層外的土工布與砂漿的摩擦力和粘聚力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于保溫與砂漿之間的摩擦力和粘聚力。因此，防凍防滲復(fù)合層增大了渠道邊坡襯砌材料之間的粘聚力和摩擦力，提高了邊坡淺層的穩(wěn)定性。

2.3 渠道襯砌結(jié)構(gòu)

2.3.1渠道襯砌一般結(jié)構(gòu)形式

處于我國的季節(jié)性凍土地區(qū)，由于地質(zhì)構(gòu)造的影響，渠床土顆粒為粒徑處于0.05～0.002mm之間，粘粒含量較高的凍脹敏感性土壤。隨著土體的凍結(jié)土體中的水分開始凍結(jié)變成冰，在水分的遷移和聚集下，土體發(fā)生膨脹，最終發(fā)生凍脹破壞[11]。對(duì)渠道的防凍采用鋪設(shè)保溫板方法，由前面已經(jīng)討論了防滲防凍復(fù)合層，因此渠道的襯砌結(jié)構(gòu)可采用“混凝土預(yù)制板+砂漿過渡層+防凍防滲復(fù)合層”方式來削弱渠基土的凍結(jié)膨脹，保護(hù)渠道的襯砌結(jié)構(gòu)。

2.3.2特殊渠段襯砌結(jié)構(gòu)形式

在實(shí)際工程中觀測發(fā)現(xiàn)采用渠道防凍脹一般結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行渠道的襯砌，這部分渠段渠基土中的地下水位較高、凍漲量大，在冬季負(fù)溫作用下渠道的一般襯砌結(jié)構(gòu)不能夠阻止外界冷空氣與渠基土發(fā)生熱量的冷熱交換，渠基土發(fā)生凍結(jié)，從而渠道襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。采用防凍防滲復(fù)合層可以解決水分進(jìn)入保溫板影響保溫板保溫性能問題，但仍然不能解決部分渠段的水文地質(zhì)渠基土凍脹量大的問題。因此，提出了精準(zhǔn)加熱保溫防凍防滲渠道，其工作原理是在渠道斷面凍脹量較大的區(qū)域進(jìn)行熱量補(bǔ)償，即通過外界的熱量補(bǔ)償，抵消了冷空氣通過襯砌結(jié)構(gòu)與渠基土發(fā)生熱量交換的這部分熱量，從而阻止渠道凍結(jié)，保護(hù)了渠道襯砌結(jié)構(gòu)。精準(zhǔn)加熱保溫防滲防凍渠道不同于渠道防凍脹一般結(jié)構(gòu)，是在自加熱型防滲防凍復(fù)合層中鋪設(shè)電熱絲，通過電熱絲來提供熱量。

加熱型防凍防滲復(fù)合層內(nèi)的保溫板由含有網(wǎng)狀的鏤空層的保溫板和沒有鏤空的保溫板組合封閉而成。采用含有鏤空層保溫板可以一定程度減緩渠道基土與寒冷的大氣之間的熱交換，降低了保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)，提高了保溫板的保溫性能。

2.3.3新型渠道襯砌結(jié)構(gòu)形式

渠道新型防滲防凍襯砌結(jié)構(gòu)是針對(duì)于在極寒地區(qū)渠道的地下水位加高，采用“混凝土預(yù)制板+砂漿過渡層+防凍防滲復(fù)合層”襯砌結(jié)構(gòu)仍然不能滿足渠道的防凍要求。基于渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞機(jī)理，發(fā)現(xiàn)渠道最容易發(fā)生凍脹破壞的區(qū)域?yàn)榍榔旅娴?/3處和渠底中部，通過對(duì)渠道最容易發(fā)生凍脹破壞的區(qū)域進(jìn)行熱量補(bǔ)給，減少了渠基土的熱量損失[12]。因此，在整個(gè)渠道斷面可分為兩部分保溫，即加熱保溫區(qū)和非加熱保溫區(qū)?；谇缀颓旅娴?/3～1/4處渠道的凍脹破壞最為嚴(yán)重，此區(qū)域設(shè)立保溫加熱區(qū)，渠道斷面其他區(qū)域?yàn)榉潜貐^(qū)。在加熱保溫區(qū)，渠道的襯砌結(jié)構(gòu)“混凝土預(yù)制板+砂漿墊層+加熱型防凍防滲復(fù)合層+水泥細(xì)沙墊層”，非加熱保溫區(qū)的襯砌結(jié)構(gòu)為“混凝土預(yù)制板+砂漿墊層+防凍防滲復(fù)合層+水泥細(xì)沙墊層”。

3 結(jié)論

通過綜合分析不同防凍脹防滲措施，結(jié)果表明：采用自保溫混凝土預(yù)制板，不僅其綜合導(dǎo)熱系數(shù)相比采用同樣厚度普通混凝土預(yù)制板導(dǎo)熱系數(shù)下降了95.5%，極大地降低了導(dǎo)熱系數(shù)，提高了渠道保溫性能，而且與傳統(tǒng)的混凝土預(yù)制板相比較，該預(yù)制塊重量的減少和體積增大有利于渠道襯砌層自身穩(wěn)定，減小了渠道坡面的重量，提高了渠道坡面的穩(wěn)定性。防凍防滲復(fù)合層能同時(shí)解決渠道防凍和防滲問題，阻止了水分進(jìn)入保溫板影響保溫板的保溫性能，同時(shí)防凍防滲復(fù)合層外部的土工布增大了其與砂漿墊層和渠基土之間的黏聚力和摩擦力，提高了渠道坡面的穩(wěn)定性。因此，在我國極寒灌區(qū)渠道的襯砌結(jié)構(gòu)為“混凝土預(yù)制板+砂漿墊層+加熱型防凍防滲復(fù)合層+水泥細(xì)沙墊層”更有利于防止渠道滲漏和凍脹。