鄭鑫，葛建銳，劉少東，劉金云

（黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶 163319）

長期以來，國家把做好“三農”工作放在突出重要的位置，在投資方面堅持把“三農”作為中央預算內投資的優(yōu)先領域。2014年將安排700 多億元加強以水利為重點的農業(yè)基礎設施建設，支持引水調水、骨干水源、江河湖泊治理、高效節(jié)水灌溉等重點項目。在灌渠基礎設施建設得到了迅猛發(fā)展的同時，季節(jié)性凍土區(qū)灌渠襯砌凍脹破壞成為制約北方寒區(qū)農田渠道輸水灌溉效果的瓶頸。黑龍江省水利科學研究院多年的調研結果表明，黑龍江查哈陽大型灌區(qū)有90 多座的大中小型灌渠受到各種程度凍脹破壞，凍害率高達83%[1]。2007年五常灌區(qū)100 余座渠系的完好率不足10%[2]。灌渠襯砌結構凍脹失穩(wěn)破壞嚴重，影響工程效益的正常發(fā)揮。目前，最為常見的灌渠襯砌凍脹破壞現(xiàn)象是渠底土凍脹引起的拱起、渠壁混凝土板由于土體凍脹引起的脫落、坡底和坡腳連接處凍裂使砌石裂縫破壞、渠道側壁上的墻壓頂石上抬破壞，如圖1 所示。下面從凍脹破壞理論、渠道襯砌凍脹破壞兩方面進行總結。

1 凍脹破壞理論

1.1 凍土理論

上世紀20年代起，前蘇聯(lián)學者就開始了對凍土的研究，主要集中在凍土調查[3]、凍土物理力學性質[4-5]及簡單的工程應用理論[6]。其中，著名巖土工程專家崔托維奇于1973年撰寫的《凍土力學》[7]，綜合歸納總結了大量的試驗研究及理論分析結果，奠定了凍土力學學科研究基礎。上個世紀90年代，我國學者相繼對凍土展開研究，初期同樣集中在凍土物理力學性質[8]及內的凍土調查[9-10]等方面。這些基礎性研究工作為土的凍脹理論建立及發(fā)展奠定了堅實的基礎。

圖1 常見的灌渠襯砌凍脹破壞現(xiàn)象Fig.1 Common phenomenon of heaving damage on canal lining

1.2 凍脹理論及模型建立

針對凍脹中的水熱傳遞、熱傳導和土顆粒孔隙中液態(tài)水的流動粘滯，J.R.Philip 和De Vries 于1975年提出了水熱耦合遷移模型[11]，并對土凍結時溫度梯度變化、熱能傳遞、水的相變做出了一系列研究成果。1977年，Miller 和O’Nell 在第二凍脹理論的基礎上考慮了凍結緣的水熱耦合，建立了剛性冰模型[12]，由于該模型必須假定大量的物理參數(shù)，使得模型在實用上存在很多缺陷[13]。利用有限差分法對土體凍結過程數(shù)值計算，得出該過程溫度、含水率的變化規(guī)律，Harlan 于1973年提出了水動力學模型[14]。但是該模型對水分遷移情況只適用于一維狀態(tài)。1978年Konrad 采用有限元和數(shù)學分析方法對凍脹過程土中溫度、水流、凍脹量進行了預測，建立了分凝勢模型[15]。根據(jù)控制不同溫度梯度對水分遷移大量試驗研究，Konrad 和Morgenstern[16]于1981年完善了分凝勢模型，將活動透鏡體與凍結緣接觸的凍結吸水速度和凍結溫度之間的關系參數(shù)SP 定義為分凝勢，但由于該參數(shù)與含水量、溫度變化、凍脹速率等因素有關，目前很多學者正致力于對其物理意義和實際應用的探究。在對分凝勢理論的進一步擴展的基礎上，Shen Mu 和Branko Ladanyi 于1999年提出了溫度場、水分場、應力場三場耦合模型[17]，其把遷移水分量簡單等效成一附加變形作用在應力場上，僅能稱其為準三場耦合模型。

這些經(jīng)典理論和凍脹模型的建立，為解決寒區(qū)土的凍脹力計算奠定了基礎，但對現(xiàn)場工程實際應用性不強。個別模型的約束條件、基本假定具有限制性，往往不能模擬現(xiàn)實的工況。模型建立過程復雜，參數(shù)選擇困難以及方程的求解困難，使得其可操作性差、誤差大，因此，凍脹理論與試驗的研究還需要繼續(xù)進行，對凍脹模型改進有待進一步深入。

2 渠道襯砌凍脹破壞理論與實踐

建國后，我國進入了大規(guī)模建設水利工程基礎設施的時期，水利投資增長速度較快，但是由于當時對凍害認識不足，在規(guī)劃設計中對凍脹破壞未予以充分考慮，使得該時期修建的水利設施在投入使用后不久就開始出現(xiàn)凍脹破壞。直至上世紀60年代初至70年代末期，北方寒區(qū)的水利工程部門開始關注水工設施的凍害現(xiàn)象，并開始對這一現(xiàn)象進行調查、觀測和研究。這些工作開展的深度和廣度有限，但對凍害的破壞形式、原因、變化規(guī)律及防治措施有了基本認識，為該項工作的進一步研究奠定了基礎。

張釗[18]在1993年根據(jù)建立二維非穩(wěn)態(tài)溫度場后運用有限差分法對渠道地基土發(fā)生凍脹時溫度場、應力場進行了數(shù)值模擬分析，總結出了凍脹時渠道基土溫度場分布規(guī)律，同時模擬計算了襯砌結構受凍脹時渠底和邊坡所受的凍脹力，但模擬結果未經(jīng)試驗及實測驗證，可信度不高。

西北農林科技大學王正中教授的科研團隊對襯砌渠道抗凍防滲工作做了大量研究工作，尤其對“建立混凝土襯砌渠道凍脹破壞力學模型”做了深入研究。陳濤[19]等根據(jù)分析前人建立的凍脹機理模型及灌渠凍脹破壞主要影響因素，通過研究建立陜西本地渠道襯砌抗凍害的力學模型，得出渠道襯砌冬季凍脹量、最大凍深、凍脹時的襯砌下土的含水量、凍脹氣溫等研究數(shù)據(jù)；李甲林[20]通過研究分析三場耦合模型，并對其計算結果與甘肅靖會總干梯形與弧底梯形渠道及寶雞峽灌區(qū)源下北干渠工程實測值進行對比，驗證了其三場耦合模型的準確性，并獲得了“土體凍結過程中隨深度的變化溫度和含水量的變化規(guī)律”、“溫度變化對凍脹量及其系數(shù)的影響情況”兩點研究成果，從而為估算灌渠凍脹破壞和進行襯砌結構定量分析提供技術支持；辛英華[21]對混凝土渠道襯砌受凍脹破壞和水分遷移對結構受力特點進行了綜合分析，找到了U 型渠道最佳斷面，并根據(jù)這種最佳斷面分析了法向凍脹力、切向凍脹力和彎矩在渠道的分布規(guī)律，為U 型渠道斷面設計提供理論基礎。

針對“建立凍土與建筑物相互作用的水熱力三場耦合力學模型”，張茹[22]應用有限元軟件ANSYS 建立合理U 型混凝土渠道襯砌凍脹力學模型，得出了三場耦合應力—應變渠道模型的受力分布規(guī)律，并結合工程實際對模型進行了驗證，最終為季節(jié)性凍土區(qū)U 型渠道抗凍防滲工程設計提供了針對性的建議；郭利霞[23]等學者為了研究渠道襯砌凍脹破壞特性及凍害變形特征，以梯形混凝土襯砌渠道為例，運用有限元軟件ANSYS 建立合理的二維數(shù)值模型，對模型進行三場耦合研究分析，分析結果與工程現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)非常接近。

通過對弧底梯形渠道模型進行合理的假設和簡化處理，王正中等[24]于2008年系統(tǒng)的提出了這種混凝土襯砌整體結構凍脹破壞的力學模型，并獲得計算凍脹應力的數(shù)值公式和其它凍脹破壞的計算方法，從而為凍脹量計算和襯砌施工量分析提供了方法。運用這些方法進行計算，結果表明弧底梯形渠道具有適應變形及抗凍脹能力強、凍脹力分布均勻、恢復力強的特點，優(yōu)于梯形斷面渠道；孫杲辰[25]在線彈性斷裂力學的基礎上建立凍脹結構力學模型，并把凍脹力加到模型上，通過這種有效方式，應用于凍脹使渠道混凝土襯砌板的受力分析，然后分別對該渠道模型陽坡、陰坡和渠底3 個不同位置做受力計算。最后表明：通過渠道混凝土襯砌抗凍力學模型應用到渠道混凝土襯砌體設計是一種符合實際工程簡單有效的方法；安元[26]結合甘肅靖會灌區(qū)的一種梯形渠道，應用有限元軟件ADINA 對不同太陽輻射值下的渠道凍脹受力特性進行了計算分析，根據(jù)分析結果，得出渠道在不同坡度狀態(tài)下的溫度場、位移場和應力場的分布情況和變化特征，為設計渠道抗凍害最佳受力斷面提供了依據(jù)。

關于渠道“抗凍防滲新技術”，韓蘇建、陳濤[27]等對陜西關中5 個地級市、25 個縣區(qū)九大灌區(qū)進行調研分析，對該地區(qū)的各類渠道的抗凍防滲的特點做了詳細的調研說明，提出了目前抗凍防滲渠道建設中不足之處和今后的改良措施；張茹[28]通過對渠道凍脹時地下水位、渠道地基土凍脹特性、渠道襯砌斷面形式和襯砌材料、渠道的陽坡陰坡等因素調研，對渠道凍害機理和特點做了詳細分析。提出渠系規(guī)劃、改善保溫防滲抗凍措施、換填地基土處理、改善地基土壓密措施、優(yōu)化渠道結構形式、改善管理能力等合理方法，為渠道襯砌抗凍提供了參考；王正中教授[29]根據(jù)我國渠道凍害破壞的影響因素和凍脹機理、凍土渠道的預報模型、凍土計算模型、混凝土渠道凍害力學模型以及我國渠道抗凍防治的措施等方面的總結，從中提出了對于渠道建設存在的不足之處和今后渠道抗凍防治8 點建設措施。

針對西北地區(qū)灌渠土質、氣候、含水率等重要凍害影響因素，王正中等對“建立混凝土襯砌渠道凍脹破壞力學模型”、“建立凍土與建筑物相互作用的水熱力三場耦合力學模型”、“求解渠道襯砌板內力以及渠道抗凍脹破壞驗算等一系列計算方法”和“新型抗凍技術”做出了系統(tǒng)的研究。但由于西北和東北土質、氣候環(huán)境特征等具有很大的差異性，其研究結果對東北高寒灌渠凍害的研究具有較大局限性。

2005年同濟大學的許強、彭功生[30]根據(jù)Harlan的水動力學模型，結合工程實況建立了計算土凍脹過程中的數(shù)值模型。通過對水分場、溫度場、應力場的統(tǒng)一空間區(qū)域采用有限單元法和時域的有限差分，使溫度、應力、含水量耦合效果更好。并根據(jù)這種方法對渠道地基土凍脹時的三場耦合模型模擬，效果理想。2006年西安建筑大學魏笑笑、王成軍[31]應用VRML 虛擬程序模擬灌渠襯砌凍脹三維模型，較好地實現(xiàn)了多種因素對渠道凍害影響的模擬，為工程實際計算提供了數(shù)據(jù)模擬平臺。2009年新疆石河子大學李超等[32長期對新疆地區(qū)季節(jié)性凍土進行觀測，根據(jù)該地特殊環(huán)境，對地下水埋深、地基土粒組成、土的含水量、溫度、積雪等因素綜合分析，結合多種假設凍脹力學模型方程，探求出凍土深度的合理求解方法，為工程設計應用提供有力支持。徐峰等[33]通過凍脹理論基礎和合理的有限元數(shù)值模型建立，應用有限元軟件ANSYS 分析了凍深與溫度的關系及渠道襯砌凍脹受力后的凍脹力分布規(guī)律。楊光[34]對北方高寒地區(qū)冬季多次凍融循環(huán)影響下的陽臺窗臺進行了凍脹應力分析，對裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展給出了解釋及處理措施。

以上總結的文獻基于西北地區(qū)黃土進行研究，由于土的類別、地下水的分布及氣候環(huán)境等因素與東北地區(qū)不同，其結果的應用性較差。還有的研究理論性很強，實際應用過程中的可操作性差。鑒于東北地區(qū)水資源供給日趨緊張的現(xiàn)狀，針對東北地區(qū)氣候條件及土質條件，研究灌渠襯砌凍脹破壞及防治措施具有重要的意義。

我國的《渠系工程抗凍脹設計規(guī)范》和《渠道防滲規(guī)范》于1991年首先制定并頒布。之后2006年《渠系工程抗凍脹設計規(guī)范》和2010年《渠道防滲工程技術規(guī)范》又進行了重新修訂。其中對“凍結深度、凍脹量、土的凍脹性及地基土的凍脹級別及凍脹力”、“襯砌渠道的抗凍計算”、“襯砌渠道的抗凍脹結構及工程措施”等做了詳細規(guī)定和施工指導。這類規(guī)范是針對全國范圍內的水利設施制定的，具有一定的指導意義，但對地區(qū)的差異性考慮較少，有必要在系統(tǒng)研究的基礎上建立不同區(qū)域的地方標準。

3 渠道凍害研究的發(fā)展前景

根據(jù)以上總結，目前對渠道抗凍脹力學分析及抗凍措施已有一定階段性的研究成果，但是仍有多問題需要人們探索：

（1）現(xiàn)階段國內學者對灌渠凍脹破壞的有限元模擬已很熟悉，都以利用ADINA、ABAQUS、ANSYS對凍脹應力場、水分場、變形場等為核心分析，但是這些模擬結果的準確性和穩(wěn)定性很少有做檢驗，進而對實際工程適用性一直不高，有待今后深入系統(tǒng)研究。

（2）凍脹力對渠道襯砌破壞的是一個復雜的問題，和襯砌材料、渠道斷面、土質顆粒組成、當?shù)貧鉁?、土質含水量、凍脹率等因素都有很大關系，而現(xiàn)階段國內學者采用的渠道模型建立或建立的函數(shù)關系和這些因素聯(lián)系度不夠，使研究成果的仿真效果不明確。

（3）現(xiàn)階段有很多學者對渠道凍脹建立了復雜的力學模型，但多數(shù)模型的準確性卻一直沒有得到學界認可，工程應用的廣度也不夠。

根據(jù)我國目前灌渠凍害研究發(fā)展現(xiàn)狀存在的問題，我們認為應采用“工程現(xiàn)場調研實測、試驗實測與模型模擬相結合”的系統(tǒng)研究方法。首先，要針對所研究地區(qū)灌渠凍害做系統(tǒng)的實測調研工作，對所觀測渠道所在地點的地貌環(huán)境、氣溫變換、土質特性等重要凍脹影響因素做系統(tǒng)記錄。其次，要對影響渠道凍脹破壞的影響因素（含水率、溫度梯度、土質特點、襯砌強度等）做有針對性的梳理，通過建立合理化的試驗方案，經(jīng)過系統(tǒng)分析后確定出對影響灌渠凍脹破壞的主次因素，找到這些主次因素之間存在的有效關系，根據(jù)這些試驗數(shù)據(jù)，建立并完善已有的力學模型。最后，根據(jù)試驗分析過的凍脹影響因素，有針對性地建立合理的灌渠凍脹有限元模型，制定科學系統(tǒng)的模型邊界條件、參數(shù)選取，根據(jù)模擬渠道凍脹結果與根據(jù)試驗實測后建立的力學模型計算結果綜合對比分析，權衡工程現(xiàn)場實測的有效性反復調整模型，完善兩種模型。建立整套實用性強、分析結果準確的力學、有限元灌渠襯砌凍害模型，為工程建設提供有力依據(jù)。

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