土工膜在北方季节性冻土地区输水渠道防冻胀中的应用试验研究
1 引言：渠道冻胀问题与土工膜的核心作用
在北方季节性冻土地区，输水渠道衬砌结构长期受基土冬季冻胀、夏季融沉交替作用，易发生冻胀破坏与融沉破坏，衬砌材料也随之劣化 [1-2]。在渠道防冻胀技术体系中，土工膜是复合衬砌结构的关键组成部分 —— 与保温板不同，土工膜通过两大核心作用实现防冻胀：一是限制基土与衬砌板的直接接触，二是阻断渗漏水，二者共同削弱切向冻结力，使渠基土冻胀过程中可沿衬砌板切向发生相对位移，进而减轻衬砌结构破坏 [4]。
目前，土工膜复合衬砌已成为主流技术方向，如双层土工膜防渗衬砌可有效减弱或解除混凝土衬砌板与基土的冻结约束，显著提升防冻胀效果 [6]。但工程实践表明，仅依靠土工膜复合衬砌无法彻底消除渠基土冻胀影响，其下方设置的砂砾石垫层可进一步优化土工膜的作用环境。然而，砂砾石垫层的厚度、粒径、材质如何影响土工膜的防冻胀效能，尚无定论，因此开展针对性试验研究，对完善土工膜复合衬砌技术具有重要理论与工程意义。
2 试验区概况与土工膜复合衬砌试验设计
2.1 试验区基础条件
本研究以某灌区节水改造工程 2# 支渠为试验对象，试验区属温带大陆性气候，多年平均降水量 293.2mm，极端最低气温 - 27.3℃，冬季最大冻深 96cm，冻胀始于 11 月中下旬，解冻于次年 3 月上旬。渠道呈南北走向且轴对称，选取半断面试验，关键参数如下：渠堤宽 3.5m、渠底宽 5.78m、渠顶土厚 5.92m、渠坡长度 6.22m、渠坡竖向高度 3.48m、渠坡水平长度 5.18m。
2.2 土工膜复合衬砌试验方案
试验渠道采用 “混凝土衬砌板 - 保温板 - 双层土工膜 - 砂砾石垫层 - 渠基土” 的自上而下复合结构，其中双层土工膜为核心防渗减冻层，具体结构参数为：10cm 厚混凝土衬砌板、5cm 厚聚苯乙烯保温板、双层土工膜、砂砾石垫层。
为探究砂砾石垫层参数对土工膜防冻胀效果的影响，结合工程实际与相关研究 [7]，设计三类变量方案：
- 垫层厚度：20、25、30、35、40、45、50cm；
- 砂砾石粒径：平均粒径 1、2、3、4、5、6cm；
- 砂砾石岩性：石灰岩、砂岩、花岗岩。
试验采用 “固定 2 参数、改变 1 参数” 的方法降低成本，每种方案试验段长 2m，总试验渠段长 30m（桩号 1+103~1+133）。
2.3 监测方法与布设
试验监测聚焦 “土工膜复合衬砌作用下的渠基土冻深与衬砌冻胀变形”，核心监测设备与布设如下：
- 温湿度监测：采用 DY0100 土壤温湿度计，通过测量土壤的介电常数获取低温与含水率数据，布设深度至地表下 1.5m；
- 冻胀量监测：采用 DG0100 冻胀计直接测得；
- 监测点位：2 种监测仪器横向设置点位一致，布置位置分别为渠坡顶、2/3 坡高、1/3 坡高、坡脚和渠底，分别记作监测点 J1、J2、J3、J4 和 J5，监测断面为各试验段中点断面 [9]。
试验从 2022 年 11 月 5 日开始至次年 2 月 25 日结束，通过对试验过程中获取数据的整理分析，获取砂砾石垫层参数对土工膜防冻胀效能的调控作用。
3 土工膜复合衬砌的试验结果与分析 —— 以砂砾石垫层厚度为例
3.1 核心试验结果
不同砂砾石垫层厚度下，土工膜复合衬砌各监测点的渠基土最大冻深与衬砌冻胀变形量见表 2—3。整体规律为：随砂砾石垫层厚度的增加，J1~J5 点的冻深与冻胀量均呈现出不断减小的变化趋势，但不同点位受影响程度差异显著，直接反映土工膜作用效果的差异。
3.2 结果分析：土工膜作用效果与垫层厚度的关联
- 弱影响点位（J1、J5）：渠坡顶与渠底无砂砾石垫层设计，土工膜直接与基土或其他结构接触，垫层厚度变化对其无直接作用。以 J1 为例，砂砾石垫层厚度为 20cm 时渠基土最大冻深和衬砌结构冻胀量分别为 77.23、2.78mm；砂砾石垫层厚度为 50cm 时渠基土最大冻深和衬砌结构冻胀量分别为 77.06、2.77mm，较 20cm 仅分别减小 0.22% 和 0.36%，下降幅度十分有限 —— 说明无砂砾石垫层支撑时，土工膜的防冻胀作用难以通过厚度调整优化。
- 强影响点位（J2、J3、J4）：渠坡区域设有砂砾石垫层，垫层厚度直接影响土工膜的受力环境与防渗效果。以 J3 为例，砂砾石垫层厚度为 20cm 时渠基土最大冻深和衬砌结构冻胀量分别为 55.73、6.69mm；砂砾石垫层厚度为 50cm 时渠基土最大冻深和衬砌结构冻胀量分别为 50.22、6.03mm，较 20cm 分别减小 9.89% 和 9.87%，下降幅度十分显著 —— 原因在于：砂砾石垫层为土工膜提供了稳定支撑，增厚垫层可进一步优化土工膜的防渗通道，增强其对切向冻结力的削弱作用，进而提升整体防冻胀效果。
