新疆自治區深處我國西北內陸，社會經濟相對落后。大型灌區是現代化集約式農業發展的典型代表，建國以來新疆大力發展灌區建設，目前已建成各類型灌區上百個。但由于凍脹破壞和受制于當時施工水平，目前區內很多灌區渠道灌溉系統損毀嚴重，因此做好渠道防凍脹是建設灌區的重要基礎。而xps擠塑板技術則是當前常用防凍脹技術。

1 工程概況

新疆阜康市氣候干旱，降雨量少，蒸發量大，屬資源性缺水地區，境內的白楊河灌區、三工河灌區、四工河灌區共控制灌溉面積30.71萬畝，是重要的糧食生產基地。但以上三個灌區均建設于上世紀60年代，配套設施不完善，建設標準低，目前存在工程老化，干支渠道凍脹等問題，引水保證率低，因此須對主要渠系進行改造，總長度合計40 km，而防凍脹破壞則是設計優化的問題之一。

2 渠道產生凍脹原因分析

當外界環境溫度低于0℃時，土體中的水分會向溫度較低區域移動，即發生“水分遷移”。這就造成土體的低溫區域含水分越來越多，當超過其內部空隙容量時(不同土質其空隙率不同)，就會發生凍脹現象。由此可知發生凍脹需同時具備三個條件：溫度、水分、土質[1]。

2.1 溫度

凍土對溫度變化非常敏感，產生凍脹的前提就是溫度低于0℃。凍土體中水分遷移速度、凍脹性強弱均直接受溫度影響，存在溫度梯度誘導是水分遷移的動力，梯度越明顯水分遷移越快。新疆大部分地區屬于季節性凍土，在12月份-2月份，阜康市多年平均溫度在-15℃左右，凍脹時間持續90 d左右，凍脹現象嚴重。

2.2 水分

土體中存在的液態水可分為重力水、結合水、細毛水三類，其中一部分水附著于土粒表面，這部分水之間存在較大分子間力，所以即使在溫度較低環境下也不會凍結[2]。如果土體中的水含量遠大于土粒表面所能附著的總水量，則多余的水分在溫度較低情況下就會發生凍結。此外，若土體有水源補給，水分遷移路徑短，則出現的凍脹量也往往較大。

2.3 土質

土質的粒度成分、礦物成分、密實度三大指標影響著凍脹量及凍深，經研究表明：(1)土質粒徑越小，總表面積越大，發生凍脹現象越明顯；(2)礦物成分(石英、云母、長石等)含量越高，越容易發生凍脹；(3)在飽和度一定時，土體的密實度越大，其顆?？倲岛蛯嵯禂翟酱?，孔隙率越小，凍結速率越大[3]。下表1列出了幾類土質的凍脹系數，可供參考。項目區主要分布土壤類型為粉細砂、粉土，粘性土，凍脹系數在1.2左右。

3 xps擠塑板防凍脹效果模擬分析

目前，渠道防凍脹措施主要有：改善渠基土質(換填法)、改善隔熱條件(增加隔熱層)、改善渠道受力條件(加厚襯砌結構)等措施[4]，其中以改善隔熱條件措施為簡單和顯著，因此阜康市三大灌區渠道防凍脹改造采用增設“xps擠塑板”的防凍脹措施。下面通過數值模擬分析其作用效果是否滿足本項目的使用要求。

3.1 渠道模型的建立

阜康市三大灌區主干渠土質均為粉質壤土，經測定屬強凍脹性土質，凍脹參數見表2所示。初灌區干渠采用梯形斷面，但現在已經很少使用，考慮到施工簡單，在此選擇弧底坡腳梯形渠道作為新干渠施工方案(見圖1)。

表2 阜康市白楊河、三工河、四工河灌區渠基土凍脹參數

本項目采用ANSYS有限元分析軟件來模擬在增設不同厚度xps擠塑板情況下，渠道混凝土襯砌的溫度變化[5]，共建立不同模型5個，詳見下表2，模擬深度為地面以下6.0 m。將土體和渠道看作一整體，模型共劃分為223個單元，每個單元再細分為8個塊體，完成有限單元劃分。

表3 本項目5個模擬模型 cm

3.2 凍脹模擬結果分析

3.2.1 位移場模擬結果分析

測定模型位移變化可以側面反映其凍脹量數值，圖2中虛線是未發生凍脹時的位置，實線是發生凍脹位移后的位置，其中圖中左側為陰坡位置，右側為陽坡位置。

3.2.2 脆弱點凍脹模擬結果分析

經過眾多學者總結大量實例，明確渠道易破壞脆弱點分別是：陰、陽坡頂點、靠近渠底1/3坡長處、坡腳處、。以這些脆弱點為研究對象，分析各個模型襯砌面的凍脹量位移(藍色和紫色曲線分別代表模型1和2)。

(1)陰坡頂點處各模型凍脹量

由圖6可知：模型1和2陰坡頂點處的凍脹量較大，高值均達到11 cm，說明保溫板厚度為6 cm時幾乎沒什么作用；而模型3-5凍脹量曲線高度重合，說明當保溫板厚度達到8 cm后，無需再通過增厚保溫板來降低凍脹量。陰坡頂點處凍脹量高達到4.2 cm，龜裂危險性較低，一般無需處理。

(2)陽坡1/3處各模型凍脹量

圖7的結果和圖6一致，只是陽坡1/3處的大凍脹量較小，這和所處位置有關。由此從多個結果說明阜康市灌區干渠建設時，防凍脹措施采用“xps擠塑板”時，設計厚度8 cm即可，若有必要，可將重要干渠段坡頂一定范圍土質進行換填處理。

引水渠道是構成灌區的基礎，在水資源匱乏的新疆地區，引水利用率是評價渠道作用的重要指標之一，xps擠塑板是渠道建設常用的防凍脹措施之一，為保證其經濟性，須要對保溫板厚度進行優化設計，杜絕依靠增加板厚來提高防凍效果。阜康市地區干渠防凍脹保溫板佳厚度為8 cm，可結合換填法對渠基進行處理。

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