?？〉?，汪恩良

（1．黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080；2．黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)工程凍土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150078；3．東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030）

0 引 言

北部引嫩工程地處高緯度寒冷地區(qū)，是黑龍江省西部關(guān)系到國(guó)計(jì)民生的重點(diǎn)工程。近年來(lái)，北引渠道的凍脹破壞強(qiáng)烈，渠道淤積嚴(yán)重，輸水能力降低23%～46%，嚴(yán)重影響了工程效益的發(fā)揮。解決北引渠道的襯砌破壞問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)標(biāo)本兼治，對(duì)寒區(qū)渠道襯砌破壞的原因，以及國(guó)內(nèi)外治理成果的經(jīng)驗(yàn)成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理。廖云［1］認(rèn)為在我國(guó)寒區(qū)混凝土渠道破壞主要表現(xiàn)為凍脹破壞。張伯平［2］認(rèn)為寒區(qū)的渠道襯砌體破壞的原因主要是水分入滲和長(zhǎng)歷時(shí)凍結(jié)造成的。張釗［3］通過(guò)數(shù)值計(jì)算，得出渠底和渠坡下部襯砌體所受凍脹應(yīng)力最大，凍脹應(yīng)力隨深度呈衰減趨勢(shì)，同時(shí)提出，若使襯砌體完全不發(fā)生位移，不能用剛性襯砌約束凍脹變形。為了解決渠道襯砌的凍害問(wèn)題，許多工程技術(shù)人員圍繞渠道形式以及水、土、溫度等影響凍土的基本因素，開(kāi)展了廣泛的試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐。朱清華［4］發(fā)現(xiàn)凍脹一般多發(fā)生在渠坡1／2～1／3。朱達(dá)夫［5］提出了按照凍脹分類以及渠道襯砌防凍脹措施；李安國(guó)［6］、宋保卿［7］開(kāi)展了不同斷面形式渠道抗凍脹特性的研究，朱強(qiáng)［8－9］、趙碧雄［10］開(kāi)展了用非凍脹材料換基的研究；程滿金［11］、馮友亭［12］開(kāi)展了保溫基礎(chǔ)的研究。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新材料在解決渠道襯砌凍害中的應(yīng)用成為了新的寵兒，葛樹(shù)東［13］全面評(píng)價(jià)了PP纖維混凝土板、土工格室混凝土板、三維土工植被網(wǎng)護(hù)坡、細(xì)砂混凝土板和愷甲式纖維混凝土板等渠道防凍脹的措施及其存在問(wèn)題。本文結(jié)合北引擴(kuò)建工程中干渠凍脹性土分布區(qū)防凍脹襯砌結(jié)構(gòu)的需求，就新出現(xiàn)的混凝土連鎖板、雷諾護(hù)墊、加筋麥克墊等材料的應(yīng)用效果開(kāi)展試驗(yàn)研究，旨在為北引干渠邊坡襯砌工程的凍害問(wèn)題提供解決方案。

1 試驗(yàn)段概況

本次選擇的試驗(yàn)段位于北部引嫩總干渠烏北段，樁號(hào)為17＋000～17＋125，該段位于嫩江灘地上，為南北走向的半挖半填渠道，地理位置見(jiàn)圖1，該段屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷漫長(zhǎng)，春季多風(fēng)干燥，夏季濕熱降雨集中，秋季降溫快歷時(shí)短，形成冷熱懸殊、干濕不均、四季分布變化較快等氣候特點(diǎn)。全年結(jié)凍期長(zhǎng)達(dá)180d，冬季氣溫常在－30°～ －40°。

圖1 北引干渠17km試驗(yàn)段位置示意圖Fig．1 Location map of pilot projects in Beiyin main channel

北引干渠17km試驗(yàn)段，建成于2012年4月，共設(shè)4個(gè)試驗(yàn)方案，即混凝土連鎖板方案、雷諾護(hù)墊方案、加筋麥克墊方案和混凝土預(yù)制板對(duì)比方案，渠道頂寬6．0m，底寬32．0m，渠深5．2m，邊坡1∶3．0，土壤質(zhì)地為低液限黏土，具有較強(qiáng)凍脹性。地下水封凍前埋深1．1～1．4m，較渠底低0．6m。

2 襯砌方案設(shè)計(jì)

2．1 邊坡穩(wěn)定分析

采用瑞典圓弧條分法分析渠坡的穩(wěn)定性，計(jì)算原理見(jiàn)圖2，并按照簡(jiǎn)化有效應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中R為圓弧半徑；b為分土條的寬度，一般取b＝R／t，t為分土條數(shù)，一般取t為10、20、30；θi為第i條土條底面中心處切線與水平線的夾角；ωi為第i條土條自重，kN；bi和hi分別為第i條土條的寬度與平均高度；Dh（Dv）為某個(gè)土條的水平 （垂直）地震力總和，按文獻(xiàn) ［4］計(jì)算；c、φ為土的強(qiáng)度指標(biāo)；Mci為第i條土條水平向地震慣性力Dh對(duì)圓心的矩。

應(yīng)用遺傳算法求解邊坡穩(wěn)定的最小安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，北引渠道的邊坡設(shè)定為1∶2．5～1∶3能夠滿足穩(wěn)定要求。

圖2 瑞典圓弧條分法計(jì)算原理圖Fig．2 Calculation diagram of Sweden circle method

2．2 襯砌方案

圍繞 “允許一定凍脹位移量”、“回避、適應(yīng)凍脹”、“出現(xiàn)不均勻凍脹變形后，護(hù)坡整體結(jié)構(gòu)保持完整”的設(shè)計(jì)原則，結(jié)合北引渠道的特點(diǎn)，本次將近年來(lái)新出現(xiàn)的混凝土連鎖板、雷諾護(hù)墊、加筋麥克墊結(jié)構(gòu)和格賓網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)應(yīng)用于北引渠道襯砌工程中，各設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖3。

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Fig．3 Scheme of canal linings

3 觀測(cè)結(jié)果與分析

3．1 氣溫觀測(cè)結(jié)果與分析

本次委托管理站進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)氣溫觀測(cè)，氣溫測(cè)量時(shí)段為2012年10月8日～2012年4月16日，采用人工記錄逐日最高溫度和最低溫度，日平均氣溫采用日最高溫度和最低溫度的平均值，日平均溫度曲線見(jiàn)圖4。

根據(jù)日平均溫度測(cè)量結(jié)果，試驗(yàn)段土體的凍結(jié)期為10月28日～次年的4月14日，凍結(jié)期共持續(xù)174d，計(jì)算凍結(jié)指數(shù)為2 753．2℃·d，年度最低氣溫－41．6℃。

圖4 日平均溫度曲線Fig．4 Daily mean temperature curve

3．2 變形觀測(cè)結(jié)果與分析

從2012年10月8日～2013年5月26日，共進(jìn)行了9次變形觀測(cè)，變形觀測(cè)使用賓得R100系列全站儀。測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖5，變形觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6～圖9。圖5中測(cè)點(diǎn)6為固腳，但在第二次測(cè)量時(shí)，渠道內(nèi)有積水30cm，測(cè)量周期內(nèi)固腳一直泡在水中，故沒(méi)有測(cè)量；另外，該年度渠坡上積雪較厚，厚度為25～70cm。

圖5 變形測(cè)點(diǎn)布置圖Fig．5 Arrangement of survey points

圖6 混凝土連鎖板變形測(cè)量結(jié)果Fig．6 Deformation of concrete interlocking block

圖7 雷諾護(hù)墊變形測(cè)量結(jié)果Fig．7 Deformation of Reno mattresses

由圖5～圖9可見(jiàn)：

1）各結(jié)構(gòu)在第三次觀測(cè)前，都出現(xiàn)了沉降，沉降量≤3．0mm，此時(shí)土體剛剛進(jìn)入凍結(jié)期，沉降變形主要是土體固結(jié)和凍縮引起的。

圖8 麥克墊變形測(cè)量結(jié)果Fig．8 Deformation of Mac－Mat

圖9 預(yù)制混凝土板對(duì)比段變形測(cè)量結(jié)果Fig．9 Deformation of precast concrete panel

2）各結(jié)構(gòu)最大凍脹變形都發(fā)生在測(cè)點(diǎn)4，即靠近坡長(zhǎng)的1／3處，這符合渠坡凍脹的一般規(guī)律。各結(jié)構(gòu)最大凍脹變形量分別為加筋麥克墊結(jié)構(gòu)的18．1cm，其次是雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)15．8cm，再次是混凝土連鎖板13．9cm和預(yù)制混凝土板結(jié)構(gòu)12．2cm，各結(jié)構(gòu)凍脹變形的關(guān)系說(shuō)明，透氣性結(jié)構(gòu) （不設(shè)防滲層）不能起到減小凍深的作用，反而會(huì)增大凍深。

3）試驗(yàn)段內(nèi)各結(jié)構(gòu)均沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變形破壞，但在試驗(yàn)段外100m左右 （16＋900）預(yù)制混凝土板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大范圍的不均勻凍脹變形，導(dǎo)致預(yù)制混凝土板結(jié)構(gòu)的整體性受到破壞，見(jiàn)圖10，在渠坡這樣以變形破壞為主的結(jié)構(gòu)中，柔性結(jié)構(gòu)可以很好的適應(yīng)凍脹變形，同時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有牢固的整體性，以保證基土發(fā)生不均勻凍脹時(shí)，結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)整體性破壞。

圖10 16＋900附近不均勻凍脹引起預(yù)制混凝土板破壞Fig．1 0 Precast concrete panel'destroying caused by uneven frost heaving at stake number 16＋900

4）各結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)了殘余變形，殘余變形表現(xiàn)出凍脹量越大殘余變形越大的規(guī)律，其中加筋麥克墊的殘余變形為4．0cm，其它各結(jié)構(gòu)的殘余變形為1．7～2．2cm。各結(jié)構(gòu)變形回復(fù)率比較結(jié)果表明，在凍脹變形小的位置，變形容易恢復(fù)，回復(fù)率可以達(dá)到90%；但對(duì)于變形較大的位置，回復(fù)率只能達(dá)到80%，整體來(lái)看，預(yù)制混凝土板結(jié)構(gòu)回復(fù)能力最好 （在不發(fā)生不均勻凍脹的條件下），混凝土鉸接塊和雷諾護(hù)墊次之，加筋麥克墊結(jié)構(gòu)回復(fù)能力最差，但16＋900位置的破壞說(shuō)明，預(yù)制板結(jié)構(gòu)在發(fā)生較大的不均勻凍脹變形時(shí)，容易引起板與板間的錯(cuò)位，造成整體性破壞。

4 結(jié) 論

1）3種柔性結(jié)構(gòu) （混凝土鉸接塊、雷諾護(hù)墊和加筋麥克墊），都實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，即可有效地適應(yīng)不均勻凍脹變形。在發(fā)生不均勻凍脹時(shí)，護(hù)坡結(jié)構(gòu)的整體性不被破壞，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到預(yù)制混凝土板護(hù)坡結(jié)構(gòu)在不均勻凍脹變形條件下，出現(xiàn)了整體性破壞的現(xiàn)象，說(shuō)明在北引渠道凍脹土分布集中地區(qū)可使用具有柔性且整體性好的護(hù)坡結(jié)構(gòu)。

2）用透水的土工布代替不透水的復(fù)合土工膜，并不能起到減小凍深的作用，但可有效地降低工程造價(jià)。通過(guò)區(qū)域地質(zhì)的分析，該段有21km區(qū)段為強(qiáng)透水段，占到烏北段總長(zhǎng)度 （78．7km）的26．1%，其余渠段為微透水區(qū)，滲透系數(shù)為10－5～10－6，在透水區(qū)段建議設(shè)計(jì)復(fù)合土工膜防滲層，其它區(qū)段可使用土工布。

綜上所述，建議在北引凍脹土分布區(qū)段采用雷諾護(hù)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)和混凝土連鎖板結(jié)構(gòu)。

［1］廖 云，劉建軍，陳少峰．混凝土渠道凍脹破壞機(jī)制與抗凍技術(shù)研究進(jìn)展 ［J］．巖土力學(xué)，2008，29（增刊）：211－214．

［2］張伯平，牟過(guò)斌，閆寧霞．渠道襯砌體凍脹破壞機(jī)理與防治對(duì)策 ［J］．水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2003，1（1）：10－12．

［3］張 釗，吳紫汪．渠道基土凍結(jié)時(shí)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬 ［J］．冰川凍土，1993，15 （2）：331－338．

［4］朱清華．甘肅金塔縣混凝土襯砌渠道防凍脹措施 ［J］．冰川凍土，1986，8 （3）：309－312．

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［6］Anguo L．A Study of Frost Heave in Large U－Shaped Concrete Canals ［C］／／The 5th International Conference on Permafrost．Trondheim：Tapir Publishers，1988：1 110－1 115．

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［8］朱 強(qiáng)，付思寧，武福學(xué)．砂－砂礫換基防治渠道凍脹的研究 ［J］．冰川凍土，1988，10 （4）：400－408．

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［10］趙碧雄，程滿金．風(fēng)積砂換填基土防治渠道凍脹［J］．人民黃河，1986，（3）：36－37．

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［12］馮友亭．寧夏灌區(qū)渠道襯砌工程防凍脹試驗(yàn)研究［D］．西安：西安理工大學(xué)，2003．

［13］葛樹(shù)東．季節(jié)凍土區(qū)渠道防滲結(jié)構(gòu)型式研究 ［D］．南京：河海大學(xué)，2004．