北方不同地域混凝土襯砌渠道聚苯乙烯泡沫板保溫防凍脹適宜厚度分析

吉 曄，張紹強，沈瑩瑩

(中國灌溉排水發(fā)展中心， 北京 100054)

大型灌區(qū)是我國農村經濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護的重要基礎設施，是國家糧食安全和用水安全的重要保障[1]。目前，我國現(xiàn)有大型灌區(qū)456處，總灌溉面積1.853×107hm2[2]，北方地區(qū)187處，占全國大型灌區(qū)總灌溉面積的45.1%。其中，西北地區(qū)大型灌區(qū)93處，占全國大型灌區(qū)總灌溉面積的29.4%；華北地區(qū)大型灌區(qū)48處，占全國大型灌區(qū)總灌溉面積的11.1%；東北地區(qū)大型灌區(qū)48處，占全國大型灌區(qū)總灌溉面積的4.6%。北方大型灌區(qū)地處歐亞大陸東部的中高緯度地帶，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，冬季漫長寒冷，為季節(jié)凍土區(qū)。受氣溫、土質、地下水位等方面原因的影響，已建的渠道襯砌與防滲工程都不同程度地遭受到凍脹破壞，不僅影響了工程的正常運行，增加了工程管理維修費用，也降低了渠道防滲效果和使用壽命[3]。

渠道保溫防凍脹技術可以減輕或消除渠道基土的凍脹變形，有效地解決混凝土襯砌渠道的凍脹破壞問題，在北方大型灌區(qū)節(jié)水改造中已得到應用[4]。試驗和應用實踐表明，聚苯乙烯泡沫板作為一種新型的渠道防凍脹保溫材料, 防凍脹效果十分明顯[5]，但北方地區(qū)地域廣闊，不同地域氣候、地質條件相差較大，局部的試驗或應用成果較多，而混凝土襯砌渠道聚苯乙烯泡沫板保溫防凍脹適宜厚度缺乏全局性和系統(tǒng)性分析，相關人員在本區(qū)域進行渠道工程規(guī)劃設計中，對聚苯乙烯泡沫板厚度的選取無據可依，影響了渠道保溫防凍脹技術的推廣應用。因此，進行北方不同區(qū)域混凝土襯砌渠道聚苯乙烯泡沫板保溫防凍脹適宜厚度分析具有重要的現(xiàn)實意義。

1 聚苯乙烯泡沫板保溫防凍脹效果影響因素分析

北方地區(qū)影響聚苯乙烯泡沫板保溫防凍脹效果的因素主要包括區(qū)域因素(如負積溫、地下水埋深、強凍脹性土壤)、渠道級別(一般按流量劃分)、渠道走向及渠道部位[6]。

1.1 區(qū)域劃分

考慮北方地區(qū)的氣候特點，將北方地區(qū)劃分為華北地區(qū)、西北地區(qū)、東北地區(qū)。華北地區(qū)屬亞熱帶和中溫帶的過渡帶，冬季寒冷干燥，年最低氣溫多出現(xiàn)在1月份，最低可達-35℃；根據土壤、地溫、地下水埋深淺等條件，華北地區(qū)細分為河北南部、山西、天津地區(qū)，內蒙、北京、河北北部地區(qū)。東北地區(qū)是我國緯度位置最高的區(qū)域，屬大陸性季風型氣候，冬季嚴寒而漫長，1月份為最冷月，平均氣溫-25℃～-29℃，年極端最低氣溫為-45℃，東北地區(qū)可細分為遼寧、吉林地區(qū)，黑龍江地區(qū)。西北地區(qū)地域廣闊，冬季寒冷，氣溫的空間分布差異較大，1月平均氣溫的變化范圍在-27℃～4℃之間。西北地區(qū)可細分為陜西的北部、甘肅、寧夏、青海及新疆南部地區(qū)，新疆北部地區(qū)。

1.2 渠道級別劃分

我國北方地區(qū)大中型灌區(qū)規(guī)模差異大，大到灌溉6.667×105hm2以上的耕地，小到灌溉666.667 hm2的耕地，使得不同灌區(qū)干支渠道流量存在較大的差距。在實際工程中，設計流量大于50 m3/s，當采用聚苯乙烯泡沫板防凍保溫時，所選保溫板厚度較大，施工難度也大；而設計流量小于1 m3/s的田間渠道，如果采用聚苯乙烯泡沫板防凍保溫則不經濟。因此，在調查研究的基礎上，根據國家及地方規(guī)范標準以及建設管理辦法等文件，綜合考慮經濟性及施工可行性，混凝土襯砌渠道保溫防凍脹灌溉工程級別劃分[7]為≥50 m3/s、20 m3/s～50 m3/s、5 m3/s～20m3/s、1 m3/s～5 m3/s四個級別。

1.3 渠道走向劃分

北方灌區(qū)渠道走向通常為東西向、南北向、西北東南、東北西南，從試驗與調查分析來看，西北東南、東北西南向渠道的聚苯乙烯泡沫保溫板厚度介于東西向、南北向之間，實際應用中以東西向保溫板厚度作為參考[8]。因此，渠道走向劃分為東西和南北兩個方向。

1.4 渠道部位劃分

試驗研究中，為了更能準確反映渠道邊坡上下段的凍脹情況，試驗設計為陰坡上、陰坡下、陽坡上、陽坡下、渠底等5個處理。試驗結果也表明，5個處理的厚度不同，坡下大于坡上，按此結論進行工程建設也是最經濟的，但大規(guī)模工程實際應用時，從材料選購、安裝、接縫處理到上部襯砌等環(huán)節(jié)來看，施工難度加大，質量難以保障。因此，綜合考慮技術性、經濟性和和施工方便程度，不同厚度保溫板的鋪設部位劃分為陰坡、陽坡、渠底[9]。

2 渠道防凍脹保溫板適宜厚度

基于渠道防滲保溫防凍脹技術應用情況調研、渠道保溫防凍脹試驗驗證、渠道襯砌防凍脹應用耐久性評價及聚苯板厚度計算方法的驗證，并根據《灌溉與排水工程設計規(guī)范》[10](GB 50288—1999)灌溉工程分級指標以及北方地區(qū)應用情況，按不同區(qū)域、不同渠道走向、不同流量大小總結渠道防滲保溫適宜鋪設厚度。

2.1 華北地區(qū)

在分析南水北調中線京石段渠道、河北石津灌區(qū)、山西瀟河灌區(qū)和內蒙河套灌區(qū)等灌區(qū)渠道鋪設聚苯板應用情況基礎上，參考蕭河灌區(qū)近30 a聚苯乙烯泡沫塑料板在渠道襯砌防凍脹中的應用評價結果[9]，通過內蒙河套灌區(qū)試驗研究和理論計算驗證，分析確定華北地區(qū)渠道鋪設聚苯板適宜厚度見表1。

2.2 西北地區(qū)

在分析甘肅景電一期灌區(qū)、寧夏引黃灌區(qū)[7]、甘肅雙塔灌區(qū)、新疆兵團農一師塔里木和沙井子灌區(qū)等灌區(qū)渠道鋪設聚苯板應用情況基礎上，通過在新疆布爾津河灌區(qū)[11]的試驗和理論計算驗證，提出西北地區(qū)基于地溫、渠道走向及流量等級渠道鋪設聚苯板適宜厚度如表2所示。

2.3 東北地區(qū)

東北地區(qū)主要分析了吉林白沙灘灌區(qū)、遼寧東港灌區(qū)[12]等灌區(qū)混凝土襯砌渠道聚苯乙烯泡沫板保溫防凍脹應用情況，通過在黑龍江蛤蟆通灌區(qū)的試驗和理論計算驗證[13-14]，提出東北地區(qū)基于地溫、渠道走向及流量等級渠道鋪設聚苯板適宜厚度如表3所示。

表1 華北地區(qū)渠道鋪設聚苯板適宜厚度

表2 西北地區(qū)渠道鋪設聚苯板適宜厚度

表3 東北地區(qū)渠道鋪設聚苯板適宜厚度

3 結 論

(1) 在北方地區(qū)渠道襯砌防凍脹應用中，保溫板厚度是關鍵指標，考慮經濟因素保溫板的厚度應按照不同走向的渠坡(陰坡、陽坡)和渠底分別確定，厚度的確定以理論計算為基礎，缺少基本資料不具備計算條件的可參考本文渠道鋪設聚苯板適宜厚度成果。

(2) 在北方地區(qū)渠道防凍脹聚苯板適宜厚度在3 cm～12 cm之間。其中，華北地區(qū)：河北南部、山西、天津地區(qū)適宜厚度3 cm～8 cm，內蒙、北京、河北北部地區(qū)適宜厚度3 cm～10 cm；西北地區(qū)：陜西的北部、甘肅、寧夏、青海及新疆南部地區(qū)適宜厚度4 cm～8 cm，新疆北部地區(qū)6 cm～12 cm；東北地區(qū)：遼寧、吉林地區(qū)適宜厚度5 cm～11 cm，黑龍江地區(qū)適宜厚度8 cm～12 cm。

(3) 南北向渠道不分陰陽坡，可鋪設相同厚度保溫板；東西向渠道凍脹明顯，鋪設不同厚度保溫板[15-16]；東北西南或西北東南渠道陰坡鋪設保溫板厚度參考東西向陰坡的鋪設厚度、陽坡鋪設保溫板厚度參考南北向的陽坡鋪設厚度。