單向凍結下渠基土的鍋蓋效應試驗研究

唐少容 柯德秀 楊強 高天源

摘 要：寒旱區剛柔復合襯砌渠道鋪設的復合土工膜阻礙土體凍結過程中的水分蒸發，出現復合土工膜下土體增水的現象，即“鍋蓋效應”。為探究土體的鍋蓋效應發生機制和規律，制備不同含水率的土柱試樣進行單向凍結試驗，分析復合土工膜對土柱溫度場和水分場的影響。研究表明：有復合土工膜覆蓋土柱的降溫速率及土層間溫差均小于未覆蓋復合土工膜的土柱；凍結過程中，未覆蓋復合土工膜的土柱底部水分通過土體孔隙通道不斷向頂層遷移補充后蒸發，整個土柱含水率降低，且呈不均勻狀分布；而有復合土工膜覆蓋的土柱，在水分遷移和鍋蓋效應作用下，底部土體含水率降低，膜下頂層土體含水率顯著增加，且膜下結冰，表明復合土工膜使土體在凍結過程中產生明顯的鍋蓋效應。初始含水率不同的土柱受鍋蓋效應影響后產生的水分遷移量和形態存在差異，初始含水率較小的土柱頂層含水率的增加以氣態水遷移為主，初始含水率較大的土柱含水率的增加則以液態水遷移為主。

關鍵詞：剛柔復合襯砌渠道；鍋蓋效應；單向凍結；溫度場；水氣遷移

中圖分類號：ＴＶ１６ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０２０

引用格式：唐少容，柯德秀，楊強，等．單向凍結下渠基土的鍋蓋效應試驗研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：１０９－１１３，１２０．

０ 引言

在寒旱區，土體類型、含水率和溫度等因素決定著土體的凍脹程度［１］ 。嚴重的土體凍脹使灌區渠道混凝土襯砌發生形變、裂縫、隆起和剝落等凍害，渠水隨襯砌板裂縫滲入土體，土體產生滲漏和凍融耦合作用下的反復破壞，縮短渠道使用壽命［２－３］ 。渠系工程抗凍脹設計規范［４］ 中明確指出，混凝土不僅作為剛性防滲層，而且還用來保護柔性材料不被破壞、防止老化并延長使用壽命；復合土工膜則用于防滲，也可以適應一定程度的渠道凍脹變形。復合土工膜由無紡布與土工膜復合而成，土工膜以塑料薄膜作為防滲基材，主要成分有聚氯乙烯（ＰＶＣ）和聚乙烯（ＰＥ），滲透系數小，阻擋渠道行水期間水分沿混凝土襯砌板裂縫滲入至基土；無紡布作為高分子纖維材料，有較強的抗拉性能和延展性，能夠保護土工膜不被刺穿。將復合土工膜鋪設于渠道混凝土襯砌板下形成剛柔復合襯砌結構，已在我國渠道工程中得到了大量應用。Ｍｏ 等［５］ 對梯形混凝土襯砌渠道進行了為期６７ ｄ 的凍脹監測，并通過水熱力３ 場耦合模擬表明復合土工膜通過改變基土的溫度分布減小渠道凍脹；鄭源等［６］ 指出，與剛性混凝土渠道相比，加入復合土工膜后削減了凍土對襯砌板的切向約束力，具有防凍脹破壞的效果；姜海波等［７－８］通過一個完整凍融周期的原型觀測，探究了剛柔混合襯砌渠道的凍脹機理及復合土工膜的變形特征和強度變化，并研究了渠基土體在凍融過程中的水分遷移及分布規律，揭示了復合土工膜既可以防滲又可以防凍脹的雙防功能。

實踐表明，由于土體凍脹的復雜性，因此剛柔復合襯砌渠道仍然不能避免凍脹破壞。復合土工膜形成的封閉結構具有雙向擋水作用，在阻擋渠道滲漏水分下滲的同時也阻擋了土體因凍結而向上遷移的水分。凍結遷移的水分蒸發受阻，致使復合土工膜下部土體濕度大幅增加，大量水分在較低溫度作用下快速凍結成冰，對上部混凝土襯砌板形成不均勻的凍脹作用，從而引發襯砌板抬升、開裂、錯位等破壞。李強等［９］ 、姚仰平等［１０］ 發現機場跑道土體中的水分在毛細作用和溫度、蒸發等作用下向上遷移，遇到地表覆蓋建筑物形成的不透氣的覆蓋層，導致水分蒸發受阻引起淺層土體水分積聚、含水率增加的現象，將其稱為“鍋蓋效應”。張升等［１１］ 通過試驗驗證了凍結條件下氣態水遷移能夠引起不透水覆蓋層下土體含水率大幅提高甚至飽和。Ｔｅｎｇ 等［１２］ 以鈣質砂為材料，研究了不透水覆蓋層下非飽和粗粒土中水分積聚的現象，證明了粗粒土中存在水氣遷移導致的冰積聚現象。

在寒旱區的渠道工程中，剛柔復合襯砌渠道凍脹破壞與鍋蓋效應之間的聯系和機理研究還較少，因此筆者通過土柱凍結試驗研究復合土工膜覆蓋條件下渠基土的鍋蓋效應，以期為揭示剛柔復合襯砌渠道凍脹破壞機理提供參考和依據。

１ 土柱單向凍結試驗

１．１ 土體的基本性質

試驗用土取自寧夏銀川西干渠輸水渠道地表下１．０ ｍ 深處。根據《土工試驗方法標準》（ ＧＢ／ Ｔ５０１２３—２０１９）［１３］ 確定該渠基土為中砂土，土樣物理指標及顆粒級配見表１、表２。

１．２ 試驗方案

依據當地溫度變化經若干次初步試驗，設計了Ⅰ、Ⅱ兩組試驗：第Ⅰ組試驗未覆蓋復合土工膜，為自由界面；第Ⅱ組在試樣頂部覆蓋一層復合土工膜。復合土工膜為一布一膜，按照實際渠道工程中的鋪設方法，土工布面朝上，土工膜面朝下與土體接觸，形成“鍋蓋”，如圖１ 所示。每組試驗均包含５ 種含水率的試樣，分別為７．３％、１１．５％、１５．０％、１８．５％、２１．９％。試樣筒為定制的無頂蓋圓柱形有機玻璃筒，內徑為９ ｃｍ、筒高為２５ ｃｍ。土溫通過數字萬用表測試ＭＦ５２Ｄ－１０３Ｆ３９５０型負溫熱敏電阻的阻值確定。為了安插熱敏電阻，從下到上在有機玻璃筒的０、４、８、１２、１６、２０ ｃｍ處鉆直徑為３ ｍｍ 的小孔。將土體風干后過２ ｍｍ篩，按預定含水率估算所需風干土和蒸餾水質量，均勻拌和后裝入塑料袋內，密封浸潤以保證試樣的初始含水率均勻一致，１２ ｈ 后測定試樣實際含水率。試驗前，先在試樣筒內壁抹一層凡士林，控制壓實度為９０％，將試樣分５層分層擊實，每層擊實后把土壤表面劃毛，然后在預定位置土樣中心安裝熱敏電阻，繼續下一層試樣的裝填，保證土柱內土質細膩均勻，最終制備成直徑為９ ｃｍ、高為２０ ｃｍ 的圓柱體試樣。用保溫棉包裹在試樣筒側壁和底部，放入ＢＣ／ ＢＤ－５１８ＨＤ 型號冰箱，實現單向凍結，每隔４ ｈ 測讀１ 次土體各層的電阻值。試驗結束后將試樣從筒體中分層取出，用烘干法測定不同深度處土樣的含水率。

２ 試驗結果與分析

２．１ 土柱的溫度變化

以初始含水率為７．３％的試樣為例，繪制了凍結過程中試樣內部的溫度變化曲線，如圖２ 所示。試樣底層標記為０ ｃｍ，頂層標記為２０ ｃｍ。由圖２ 可知，受凍后試樣溫度逐漸降低，各土層之間逐漸形成溫差。無論是否有復合土工膜覆蓋，試樣頂層溫度變化曲線的斜率最大，降溫速度最快；距離冷端位置越遠的土層，降溫速度越慢。試樣溫度經歷快速降溫（０～４ ｈ）、過渡降溫（４～８ ｈ）和緩慢降溫（８ ｈ 后）３ 個階段。由圖２（ａ）可見，８～１０ ｈ 時，無復合土工膜覆蓋的試樣頂層溫度已降至０ ℃，下部土層尚未進入凍結狀態；由圖２（ｂ）可見，復合土工膜與無復合土工膜覆蓋的試樣相比，降溫趨勢相同，但同高度的土層溫度變化曲線斜率更小，降溫速度更慢。凍結２４ ｈ 時，覆蓋有復合土工膜的土層，其溫度均比同高度的無復合土工膜覆蓋土層的高，原因是復合土工膜在試樣頂層阻擋了部分冷量傳遞，有一定的保溫作用［１４］ 。

凍結２４ ｈ 時，不同初始含水率試樣各土層的溫度變化如圖３ 所示。由圖３ 可見，試樣溫度與頂部是否覆蓋復合土工膜及土體初始含水率關系密切。與其他含水率的試樣相比，初始含水率為１１．５％的試樣在低溫作用下冷量傳遞相對較多，２４ ｈ 后各高度土層溫度偏低。當初始含水率超過１１．５％后，初始含水率越大，試樣各高度處的溫度越高。

徐學祖等［１５］ 定義凍土中未凍水含量與溫度的經驗關系為

取砂土的凍結溫度界限為－０．６ ℃［１６］ ，聯合式（１） ～式（３）求得所有土柱凍結２４ ｈ 時與各土層溫度相對應的未凍水體積含量，其變化曲線如圖４ 所示。由圖４可知，無論是否覆蓋復合土工膜，較高初始含水率土體的未凍水體積含量增大顯著，遠比低初始含水率的土體明顯。由于試驗是從上向下單向凍結，因此試樣底部未凍水含量均高于頂部的。對兩種試樣的上部土體，凍結２４ ｈ 時，有復合土工膜覆蓋時的未凍水含量高于無復合土工膜覆蓋的；其他高度的土體未凍水含量相差不大。

２．２ 初始含水率對土體水氣遷移的影響

凍結２４ ｈ 后各土層的含水率變化曲線如圖５ 所示。由圖５ 可見，凍結２４ ｈ 后無復合土工膜覆蓋試樣各土層的含水率均不同程度地低于初始含水率，水分呈不均勻狀態分布。與下部土層相比，頂層（高度為２０ ｃｍ處）土體的含水率顯著減小，主要原因是低溫作用下水氣向上遷移并蒸發，表明凍結條件下土體水分遷移除了液態水還有氣態水參與。１８ ｃｍ 高度處土體的含水率大于下部土體的，原因是一部分未能排出土體并在重力作用及低溫傳導下遷移而來的水分積聚呈現的增水現象。試樣水分遷移量明顯地受初始含水率的影響，初始含水率較小時，試樣底層含水率變化很??；而初始含水率較大時，試樣底層含水率大幅降低，且減小量隨初始含水率的增大而增大，水汽遷移變得劇烈，原因為土是多孔多相的顆粒構成的骨架結構，孔隙為土中氣態水或液態水的遷移提供了通道；從能量傳遞的角度分析，試樣頂層與冷端接觸，為平衡整體溫度和濕度，頂層溫度下降并向下傳遞冷量，含水率逐漸降低；初始含水率較低時液態水含量少，氣態水率先遷移至頂層補充水汽，而初始含水率較高時則以液態水遷移為主補充頂層水汽，土體水分通過土層蒸發面進入大氣，試樣表面逐漸變干。經烘干法測定，初始含水率分別為７．３％、１１．５％、１５．０％、１８．５％、２１．９％的無覆蓋復合土工膜的試樣，其頂層土體含水率比初始含水率分別減少４．１１％、８．３８％、８．３３％、１２．６９％、６．９３％。復合土工膜在低溫下形成的鍋蓋效應較為顯著，但對試樣水分分布的影響限于一定范圍內。試樣上部（高度為１８～２０ ｃｍ）受鍋蓋效應影響明顯，不同初始含水率的試樣凍結２４ ｈ 后含水率均增加，復合土工膜接觸的初始含水率分別為７．３％、１１．５％、１５．０％、１８．５％、２１．９％的試樣上部含水率分別增大了４．３１％、８．０７％、８．６４％、１２．９３％、７．８９％，增水量隨初始含水率的增大先增加后減少，原因是根據Ｆｉｃｋ 定律［１７－１８］ ，較高的初始含水率使氣態水遷移通道變窄，導致氣態水在土體中的擴散系數減小，遷移受阻。因此，初始含水率較高的試樣在鍋蓋效應中的水汽遷移以液態水為主。上部土體含水率的增加量與前述無復合土工膜覆蓋的試樣頂層含水率減少量幾乎相同，進一步表明復合土工膜阻止了原本需要蒸發的水分，并將水分在膜下聚集，形成了明顯的鍋蓋效應。試驗結束后，取下復合土工膜，可見膜下增加的水分結成冰層，見圖６。試樣下部（１８ ｃｍ以下）的含水率均降低，降低程度與初始含水率有關，初始含水率越大的試樣含水率降低越顯著，水分分布對試樣表面是否覆蓋復合土工膜并不敏感。

３ 討論

本文以寒旱區剛柔復合襯砌渠道的鍋蓋效應為出發點，通過不同初始含水率土體的單向凍結試驗，重點研究了復合土工膜對渠基土溫度場和水分場的影響及復合土工膜下的水汽積聚和冷凍現象。土體凍結是伴隨冰水相變、水汽遷移和土體凍脹變形的水、熱、力耦合作用的復雜過程，因此土體凍脹量的測定對完整地揭示渠基土鍋蓋效應所致剛柔復合襯砌渠道凍脹破壞機理和規律是不可或缺的，應當進行渠基土鍋蓋效應過程中土體凍脹量的分析。渠道基土在雙向凍結狀態下的鍋蓋效應發生機制與影響因素不同于單向凍結狀態，隨著“兩布一膜”的廣泛應用，其防滲和摩擦性能能夠較好地適應寒旱區的渠道工程。因此，上覆“兩布一膜”時的鍋蓋效應研究，能更好地為剛柔復合襯砌渠道工程的抗凍脹設計提供科學依據。

４ 結論

通過單向凍結試驗，研究了剛柔復合襯砌渠道的鍋蓋效應發生機制，分析了覆蓋復合土工膜對不同初始含水率渠基土溫度場、水分場的影響，得到如下結論：

１）復合土工膜具有一定的保溫效果，覆蓋復合土工膜的土柱降溫速率及土層溫差均比未覆蓋土柱的小。

２）單向凍結２４ ｈ 后，未覆蓋復合土工膜土柱的水分通過土體孔隙通道不斷向頂層遷移補充后蒸發，整個土柱含水率下降，且呈不均勻分布狀態。

３）有復合土工膜覆蓋的土柱在凍結過程中存在明顯的鍋蓋效應。在水分遷移和鍋蓋效應的作用下，底部土體含水率降低，頂層土體含水率顯著增加，且出現膜下結冰的現象。

４）單向凍結條件下，鍋蓋效應對復合土工膜覆蓋土體的上層含水率和水分分布影響較大。下層土體的含水率和水分分布受初始含水率影響較大，對是否覆蓋復合土工膜不敏感。

５）初始含水率不同的土柱受鍋蓋效應影響后產生的水分遷移量和形態均存在差異。初始含水率較小的土柱頂層含水率的增加以氣態水遷移為主，初始含水率較大的土柱含水率的增加則以液態水遷移為主。剛柔復合襯砌渠道土體在凍結過程中產生明顯的與土體初始含水率密切相關的鍋蓋效應，使復合土工膜下的土體含水率增加，甚至結冰，加劇土體凍脹，對渠道剛性混凝土襯砌帶來不利影響。

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【責任編輯 簡 群】