图1 渠道测试点布置示意图（单位:mm）
王英浩1，何 扬1，司 娜1，陈泓宇1，华树广2
（1.内蒙古科技大学 建筑与土木工程学院，内蒙古 包头014010；2.中冶交通建设集团有限公司，北京 100011）
摘 要：为了研究季节性冻土区不同保温措施下渠道冻胀变化规律，在一个冻融周期内对河套灌区杨家河南边干渠进行现场测试，针对不同保温措施下的冻深与冻胀量进行了分析。结果表明，阳坡与阴坡聚氨酯和聚苯乙烯保温措施条件下6 cm厚的保温效果均优于4 cm厚的保温效果，阳坡4 cm厚的聚氨酯保温效果优于4 cm厚的聚苯乙烯保温效果，而阴坡4 cm厚的聚氨酯保温效果劣于4 cm厚的聚苯乙烯保温效果。从水力条件、节水效益、投资成本等方面对比分析混凝土渠道与玻璃钢渠道的应用性，玻璃钢渠道可减少拆除重建费与保温措施费等费用，且综合投资与混凝土渠道相差不多，随着水资源需求量的急剧增大，玻璃钢渠道具有较好的应用前景。
关 键 词：季节性冻土；冻深；冻胀量；玻璃钢渠道
衬砌是解决渠道防渗工程的直接手段，但普通衬砌渠道输水约有50%的水分被浪费。北方地区受季节性冻土影响，混凝土渠道常见的破坏形式以水泥砂浆勾缝脱落、衬砌板破裂或隆起为主，从而导致灌溉用水渗漏现象更加严重，因此，解决受冻融条件影响下的渠道防渗工程就显得极为重要。地处季节性冻土区的内蒙古河套平原，作为国家粮食作物生产基地，灌溉方式以渠道灌溉为主，衬砌的冻胀性破坏普遍存在，既缩短了其使用寿命、增加了维护成本，也阻碍了正常运营，为此深入研究渠道冻胀破坏的机理与防治措施，对广大寒旱灌溉区的建设和农业发展具有重要的社会经济效益。
1960年，Hoekstra等[1]提出了吸附薄膜理论，较好地解释了土体在冻胀过程中的水分迁移和毛细管的作用，即第一冻胀理论；Miller[2]研究发现冰透镜形成的位置距离冻结锋面有一小段距离，并据此提出了第二冻胀理论；冯挺[3]通过对盐渍土研究发现在-3～5℃时，能引起土壤水分充分迁移，土壤发生冻胀最大，渠道破坏最严重，同时还得到冻胀速率越低，冻胀量就越大；郭殿祥等[4]通过对太阳辐射能的计算建立了可计算任意坡向、坡度的冻胀模型，并利用实测值验证了该模型的正确性；刘旭东等[5]研究发现在渠道衬砌板下铺设双层塑料薄膜，可使衬砌板与冻土层产生相对滑移，不产生冻胀约束，从而达到防治冻胀破坏的目的；王正中[6]针对刚性衬砌渠道的研究分析发现，设置不同纵缝都会影响最大冻胀量与最大冻胀力，合理的纵缝可使冻胀量与冻胀力分布趋于均匀化；高靖等[7]认为随着倾角和厚度的增大，衬砌的冻胀均有不同均匀性的减小，冻胀变位和高峰值应力也有相应的减小，倾角为15°～22°时冻胀不均匀性影响最小；闫长城等[8]通过有限元软件对玻璃钢渠道受温度场、变形场及应力场发现，玻璃钢渠衬砌可使衬砌板所受的冻胀力更加均匀，而且释放变形后可削减法相冻胀力和切向冻胀力；王英浩等[9]研究发现，U型玻璃钢渠冻胀不均匀程度小，且玻璃钢材料具有良好的抗冻胀效果与适应变形能力；程传胜等[10]研究发现玻璃钢渠具有很强的变形能力，可很大程度的减小冻胀破坏。目前，渠道冻胀的防治措施以混凝土渠道下铺设保温材料或直接采用玻璃钢渠道为主，而对于二者各自的优劣性能对比鲜见报道。为此，采用现场测试分析普通混凝土渠道在不同保温措施下的冻结规律，通过室内试验分析玻璃钢渠道的力学性能，然后对比分析2种渠道在冻胀防治过程中的防渗性、实用性和经济性，从而为季节性冻土区渠道衬砌防渗工程的设计与施工提供一定参考。
保温措施分别采用4 cm和6 cm的聚氨酯和聚苯乙烯保温板。根据《渠道防渗工程技术规范》(GB/T 50600—2010)[11]中对衬砌渠道使用保温板的要求，现场试验采用密度为46 kg/m3的聚氨酯保温板和密度为20 kg/m3的聚苯乙烯保温板，保温板均铺设于砼板下。试验冻融周期约为160 d，从2014年11月中旬至2015年4月下旬形成一个冻融周期。针对内蒙古河套灌区杨家河南边干渠，进行不同保温措施条件下的地温和含水率的现场测试，地温通过在垂直埋于堤岸的20、40、60、80、100 cm深度预埋温度传感器进行测定，测量温度在-55～+125℃之间，精度可以从9位到12位选择；土壤含水率采用水分探头进行测定，其测点布置和地温测点布置相同，如图1所示，a、b为测试点位置，分别表示阳坡上部、阳坡下部，阴坡测点和阳坡测点布置相同。地下水位则根据土壤墒情自动监测系统测定（图2），其土壤分布主要以壤土为主，最大干密度为1.42 g/cm3，塑性指数Ip为8.64，液性指数IL为0.17。
图1 渠道测试点布置示意图（单位:mm）
图2 地下水探测装置
图3为聚氨酯与聚苯乙烯保温板阳坡冻深随时间变化曲线。阳坡冻深随时间的变化大致可分为冻结阶段、稳定阶段和回融阶段。冻结阶段为11月中旬至12月中旬，共29 d。前6 d随着气温降低，冻深快速增大，第6天时冻深达到6 cm左右；第6～13天进入冻结缓慢期，其原因为昼夜温差较大，土层中水-冰和冰-水的交替相变作用缓解了冻深进程，冻深仅增加了1 cm；冻结阶段后16 d，气温迅速降低，冻结速率明显增大，冻结深度由6 cm增大到12 cm左右。稳定阶段为12月份中旬至次年3月上旬，共100 d，阳坡冻深进入稳定阶段后，由于上下边界热流作用处于动态平衡状态，冻深不再发生明显变化，第60天左右各保温措施下的冻深均达到最大值；回融阶段为3月上旬至4月中旬，共31 d，由于地表温度回升到0℃以上，上表层基土开始融化，在热流的影响下，冻土底层也发生由下向上的消融，形成双向融化，融化期在30～40 d左右。
图3 聚氨酯与聚苯乙烯保温板阳坡冻深随时间变化曲线
图4为聚氨酯与聚苯乙烯保温板阴坡冻深随时间变化曲线。由图4可知，阴坡冻深随时间的变化与阳坡类似，大致可分为3个阶段分别为冻结阶段、稳定阶段和回融阶段。在不同保温措施条件下，阴坡冻深与阳坡冻深随时间的变化差别主要表现为：冻结前期阴坡冻深受昼夜气温波动影响较小，聚氨酯保温条件下阴坡冻深随时间的推移逐渐增大，过程中并未出现缓慢冻结期；4 cm厚的聚苯乙烯保温措施条件下阴坡受气温影响较小，曲线光滑，冻深未出现较大波动。冻结阶段为11月中旬至12月中旬，共30 d，此阶段冻结速率较大，不同保温措施下的冻结深度均达到15 cm左右；稳定阶段为12月中旬至次年3月上旬，共100 d，稳定阶段不同保温措施条件下的最大冻深均达最大值，4 cm厚的聚氨酯最大冻深为30 cm，明显大于其他保温措施下的冻深，阴坡稳定冻结持续3个月之久与阳坡相同；回融阶段为3月上旬至4月中旬，共30 d，由于阴坡冻土层冻结温度较低，正积温较小，融化期在40～45 d左右，至4月下旬融通。
图4 聚氨酯与聚苯乙烯保温板阴坡冻深随时间变化曲线
由图3、图4还可以得出，不同保温措施条件下阳坡冻深始终小于阴坡冻深，4 cm厚的聚苯乙烯保温措施受气温影响较大，冻胀周期内冻深整体表现出强烈的波动性；阴坡4 cm厚的聚氨酯的冻融周期与阴坡6 cm厚的聚氨酯的冻融周期不同，前80 d冻深随着时间的推移逐渐增大，最大冻深达到30 cm左右才进入稳定阶段，冻结稳定期仅有40多天；而阴坡6 cm厚的聚氨酯保温措施冻结阶段仅在前20 d，20～120 d内处于冻结稳定期，其最大冻深为16 cm左右。120 d后进入回融阶段，不同保温条件下的回融速率与冻结速率大致相同。
图5 聚氨酯与聚苯乙烯保温板阳坡、阴坡冻胀量随时间变化曲线
图5为聚氨酯与聚苯乙烯保温板阳坡、阴坡冻胀量随时间变化曲线。由图5可知，不同保温措施条件下阳坡冻胀量始终小于阴坡冻胀量，受地下水位影响，不同保温措施条件下阳坡、阴坡上部冻胀量均小于下部冻胀量，冻胀量主要受温度梯度与水分迁移的影响，温度梯度大，水分迁移强烈，冻胀量越大，由此说明渠道边坡的下部的冻胀量较大，是衬砌容易发生破坏的区域。根据冻胀量随时间的变化可大致分为缓慢冻结阶段、冻结阶段和回融阶段。不同保温措施条件下，阳坡缓慢冻结阶段处于冻结期的前20 d，冻胀量基本为0 mm，阴坡缓慢冻结阶段处于冻结期的前15 d，冻胀量基本为0 mm；阳坡与阴坡的最大冻胀量处于冻结阶段的95～100 d之间，阳坡最大冻胀量为2.3 mm，阴坡最大冻胀量为6.5 mm；阳坡与阴坡回融阶段为100～160 d，第140天左右冻胀量已经基本消减为0 mm。
表1为聚氨酯与聚苯乙烯保温板的最大冻深、最大冻深消减率、最大冻胀量、最大冻胀量消减率。从表1可看出，阳坡4 cm厚的聚氨酯冻深略大于聚苯乙烯冻深，最大冻深为14.53 cm，最大冻深消减率为80.63%，而聚苯乙烯保温措施下的冻胀量大于聚氨酯的冻胀量，冻胀量为1.9 mm，冻胀量消减率为75.64%；阳坡6 cm厚的聚苯乙烯冻深略大于聚氨酯冻深，最大冻深为13.78 cm，最大冻深消减率为81.63%，而聚苯乙烯保温措施下的冻胀量大于聚氨酯的冻胀量，冻胀量为1.6 mm，冻胀量消减率为79.49%；阴坡4 cm厚的聚氨酯冻深与冻胀量较大，其最大冻深为30.3 cm，冻深消减率为最小（64.92%），冻胀量为最大（6.6 mm），冻胀消减率为最小（55.7%），阴坡6cm厚的聚氨酯冻深与冻胀量均大于聚苯乙烯冻深与冻胀量，最大冻深为17.45 cm，最大冻深消减率为79.8%，最大冻胀量为3.8 mm，最大冻胀量消减率为74.5%。由此得出冻深越大，冻胀量也越大，冻深与冻胀量消减率越小，综上所述，不同保温措施均可基本满足防冻胀要求。
表1 聚氨酯与聚苯乙烯保温冻深与冻胀量参数
巴彦淖尔市临河区双河示范区采用预制U型玻璃钢作为渠道衬砌进行现场试验，铺设长度为100 m。依据《渠道防渗工程技术规范》（GB/T50600—2010）[11]中防渗渠道工程级别和规模划分标准，按渠道设计流量确定工程规模为小型，工程级别为5级。断面尺寸和现场布置如图6所示，铺设方向设为南北走向，渠深H为0.8 m，渠口宽度d为0.97 m，弧底半径R=0.4 m，圆心角2α=154°，渠坡直线段倾角β=13°，渠坡直线段L=0.5 m，玻璃钢渠道厚度b=5 mm。根据设计资料，玻璃钢渠道设计使用年限为20 a。
图6 玻璃钢U型渠道断面尺寸与现场布置
玻璃钢U型渠道底部为反拱形的整体结构，受冻胀力作用时属于压弯的构件，其冻胀压力均匀分布在圆弧上，按薄壳结构理论，最终可将底部的压力分解为竖直向上的力和水平方向的力。就整个U形渠道衬砌而言，在冻胀变形作用时会发生整体上抬，使冻胀力分布更加均匀，从而使冻胀量分布更加均匀[9]。玻璃钢是几种材料复合而成的网状结构材料，冻融过程中水分子很难侵蚀扩散到基体内，而冻融循环对于玻璃钢材料而言更接近于一种冷热交替冲击疲劳的反复积累，因而对冻融循环后的玻璃钢进行拉伸试验和三点弯曲加载试验，可较为准确地模拟受冻融条件下玻璃钢渠的破坏过程，对于三点弯曲试验过程可视为上部受压，下部受拉，其受力过程与U型渠道受力相符。
试验依据《水工混凝土试验规程》（SL352—2006）[12]冻融法要求，对玻璃钢试样进行冻融循环试验，冻融循环后按照《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T1447—2005）[13]与《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》（GB/T1449—2005）[14]的要求，分别制作哑铃型拉伸试样（尺寸如图7所示）和长条形弯曲试样（尺寸为115 m×15 mm×5 mm）。拉伸试验采用长春机械研究所生产的DDL-300型电子万能试验机，该试验机测量和控制精度可达0.001，设备全部操作由计算机软件控制，可自动采集数据，拉伸试验加载速率控制为2 mm/min，连续加载直至试样发生拉断破坏。弯曲试验采用三点弯曲试验装置，跨距为92 mm，加载速率控制为2 mm/min，连续加载直至试样发生压断破坏。
图7 拉伸试样
渠道衬砌冻融循环过程主要发生在冻结阶段50 d，回融阶段的后50 d，一个冻融周期内冻融次数为100次，基于此，分别对冻融循环0、50、100、150、200次后的玻璃钢材料进行拉伸试验和弯曲试验，分析2个冻融周期内玻璃钢的材料性能，试验结果如表2、表3所示。由表2可知，玻璃钢冻融50、100次后，其拉伸强度较初始值低了5.2%、2.5%，冻融150、200次后，其拉伸强度较初始值提高了6.8%、5.8%；玻璃钢冻融50次后，其拉伸弹性模量较初始值降低了2.2%，冻融100、150、200次后，较初始值提高了1.4%、4.2%、3.1%。由表3可知，玻璃钢冻融50次后，其弯曲强度较初始值降低了3.3%，冻融100、150、200次后，其弯曲强度较初始值提高了0.7%、0.6%、10.7%；玻璃钢冻融50次后，其弯曲弹性模量较初始值降低了7.9%，冻融100、150、200次后，较初始值提高了0.5%、1.9%、1.7%。结果表明，冻融循环后玻璃钢拉伸破坏荷载均增大，抗弯破坏荷载未出现较大的变化。综上所述，玻璃钢材料冻融循环后具有很好的力学性能，可满足季节性冻土区渠道防冻胀破坏的要求，且具有较高的可控性。
表2 抗拉性能综合数据
表3 抗弯性能综合数据
水力条件比较取渠道流量作为计算流量，按照《渠道防渗工程技术规范》（GB/T 50600—2010）[9]计算。渠道计算流量Q计算式为：
式中：n为渠道糙率；i为渠道比降；θ为渠底圆弧的圆心角的1/2（rad）；H为断面水深（m）；r为渠底圆弧半径（m）。
混凝土的糙率取0.016，玻璃钢的糙率取0.008 4，根据式（1）—式（7）可求得玻璃钢渠道的流量和流速如表4所示。由表4可知，当断面水深为0.6 m，同时断面尺寸和比降均相同时，与相同条件下的混凝土渠道相比，玻璃钢渠道的流速和流量提高了约47%，玻璃钢渠道的内表面较混凝土渠道光滑，能明显增大流速与流量。由玻璃钢抗冻性试验分析可得，玻璃钢的吸水率很低，玻璃钢渠道在输水过程中，极大限度地减弱了渗漏现象，仅损失自然蒸发量。根据灌区的试验研究结果，混凝土渠道的稳渗强度为4.33 L/（m2·h），玻璃钢渠道的稳渗强度为0.30 L/（m2·h），后者可减少渗漏损失4.03 L/（m2·h）。与混凝土相比，铺设玻璃钢渠道可进一步减少渠道渗透量，增大流速与流量，从而提高灌区的灌溉面积与灌溉效率。
表4 渠道水力要素
假定不同渠道均按1 km计算，对比分析相同条件下玻璃钢渠道与不同保温措施条件下的混凝土渠道的投资成本，如表5所示，在忽略资金的时间价值前提下，依据目前内蒙古河套灌区渠道的使用情况，混凝土渠道和玻璃钢渠道分别按10、20 a使用寿命计算，混凝土渠道和玻璃钢渠道的年维修养护费分别按工程投资的2%、0.5%计算。混凝土渠道的拆除重建费包含旧混凝土拆除费、重建费耕地补偿费以及保温措施费。由表5可知，在计算周期内，玻璃钢渠道的综合投资与不同保温措施下的混凝土渠道综合投资基本相同，但混凝土渠道渗漏损失严重，且需要防冻胀保护，而玻璃钢渠道可减少拆除重建费与保温措施费用，随着水资源需求量的急剧增大，玻璃钢渠道具有明显的优势。
表5 渠道投资分析 万元
1）不同保温措施条件下，阴坡与阳坡冻融周期基本相同，冻深随时间的变化均可分为3个阶段：冻结阶段、稳定阶段和回融阶段；冻胀量随时间的变化规律均可分为3个阶段：缓慢冻结阶段、冻结阶段和回融阶段。不同保温措施条件下，阴坡冻深与冻胀量的回融时间略长于阳坡。
2）不同保温措施下，阴坡冻深与冻胀量明显大于阳坡，阳坡4 cm厚的聚氨酯保温板的冻深与冻胀量大于6 cm厚的保温措施，阳坡4 cm厚的聚苯乙烯保温板的冻深受外界温度影响较大，冻深与冻胀量波动性较强，阴坡4 cm厚的聚氨酯保温板的冻深最大，保温效果明显弱于4 cm厚的聚苯乙烯；阳坡、阴坡6 cm厚的聚氨酯与聚苯乙烯的保温效果基本相同，但聚氨酯的保温效果较好。
3）通过室内试验得出，玻璃钢材料具有良好的抗冻性、抗拉伸性、抗弯曲性和整体性，其力学性能明显优于不同保温措施条件下的混凝土渠道，可满足季节性渠道冻胀的要求。
4）从渠道效益方面分析，相同条件下无论渠道比降i取何值时，玻璃钢渠的流速与流量均为混凝土渠道流速流量的2倍左右，且玻璃钢渠道的稳渗强度大，由此可充分说明玻璃钢渠道较混凝土渠道相比，具有流量大、流速大、稳渗强度大、灌溉效率高和灌溉面积广的明显优势。
5）从投资成本方面分析，混凝土渠道投资成本与玻璃钢渠道投资成本虽相差无几，但玻璃钢渠道的设计使用年限为20 a，且铺设简单便于施工，施工周期短，施工受外部环境的影响小，地形变化适应能力强，后期养护费用低，可减少二次拆除重建费、渗漏损失费和保温措施费。
综合对比分析，玻璃钢渠道具备良好的力学性能和抗渗性能且渠道效益和投资成本优于普通混凝土渠道，在季节性冻土灌区具有明显的优势，值得大力推广。
参考文献：
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[14]GB/T1449—2005,纤维增强塑料弯曲性能试验方法[S].北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,2005.
EconomicAnalysis of Thermo-insulated Concreteand FRP Canals in Seasonal Freezing Regions
WANG Yinghao1,HE Yang1,SI Na1,CHEN Hongyu1,HUAShuguang2
（1.Architecture and Civil Engineering School,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;2.MCC Communication Construction Group Co Ltd,Beijing 100011,China）
Abstract:Canals in regions subjected to freezing-thawing cycles need to be thermally insulated to avoid damage caused by frost heaping,and this work investigated the efficacy of different the rmo-insulation materials in ameliorating frost heaping.We took the main canal in south of the Yangjia River in Hetao Irrigation District as an example and ran an experiment in one freezing-thawing cycle.The freezing depth and frost heaping of the canal thermally insulated with polyurethane or polystyrene were measured.The results showed that in all treatments,6 cm insulation was more effective than 4 cm insulation.At the sun-facing slope of the canal,the 4cm polyurethane insulation was more effective than the 4 cm polystyrene insulation,while at the shadow slope,the efficiency of the two insulations was opposite.We also analyzed the pros and cons of concrete and fiberglass-reinforced plastic(FRP)canalsin terms of hydraulic condition,efficacy in saving water,investment return and other costs,finding that the costs of building concrete and FRP canals are comparable.Given the increasing demand for water resource,the FRP canal appears to have the edge.
Key words:seasonally freezing soil;freezing depth;frost heave;FRP canal
中图分类号：TV67
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.10.016
王英浩，何扬，司娜，等.季节冻土区混凝土渠与玻璃钢渠体防冻效益对比研究[J].灌溉排水学报，2017，36(10)：87-94.
文章编号：1672-3317（2017）10-0087-08
收稿日期：2016-06-02
基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目（2013MS0717）
作者简介：王英浩（1978-），男，内蒙古包头人。副教授，主要从事岩土工程研究。E-mail:790084771@qq.com
通信作者：何扬（1989-），男，内蒙古乌海人。硕士研究生，主要从事岩土工程研究。E-mail:562944600@qq.com
责任编辑：白芳芳