蔡 峰

(新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

新疆北疆地區(qū)半數(shù)以上渠道存在嚴(yán)重的凍害問(wèn)題，因渠道凍脹破壞而產(chǎn)生的滲漏與凍脹又互為因果，導(dǎo)致渠道滲漏、凍脹、失穩(wěn)等凍融破壞十分普遍，直接影響渠道的安全運(yùn)行與效益發(fā)揮。因凍害導(dǎo)致滲漏損失約占總引水量的30%～60%，對(duì)水資源缺乏并依靠灌溉發(fā)展農(nóng)業(yè)的旱寒區(qū)而言，渠道的凍害問(wèn)題已成為寒冷灌區(qū)健康發(fā)展的瓶頸之一[1]。

渠道襯砌防滲是目前應(yīng)用最廣泛的節(jié)水措施，是提高農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率的關(guān)鍵技術(shù)。明渠襯砌防滲斷面形式有梯形(包括弧形底梯形、弧形坡腳梯形)、矩形、U形等，在寒冷凍土地區(qū)，大中型輸水渠道一般可選擇弧形底梯形或弧形坡腳梯形斷面來(lái)提高渠道的抗凍脹和輸水性能；小型渠道可選擇U形斷面，不僅可提高渠道的抗凍脹結(jié)構(gòu)性能，且水力特性好、占地少，因此，U形襯砌渠道是寒區(qū)末級(jí)小型防滲渠道首選抗凍脹結(jié)構(gòu)斷面。

近年來(lái)，對(duì)輸水工程的凍脹研究不斷深入，通過(guò)凍脹試驗(yàn)和數(shù)值模擬，探究了不同類型的凍土在寒冷環(huán)境下的凍脹特性。在U形渠道抗凍脹性能研究方面，通過(guò)數(shù)值模擬，分析U形渠道襯砌在凍脹作用下的變形破壞情況[2]；通過(guò)數(shù)值模擬分析襯砌受力的不均勻性、渠道凍結(jié)力和凍脹力變化的離散程度[3]，得出不同凍脹地質(zhì)條件下襯砌結(jié)構(gòu)的各因素受力情況的定量關(guān)系不同，土質(zhì)冰凍情況對(duì)U形渠抗凍結(jié)構(gòu)受力關(guān)系有直接影響。但在工程實(shí)踐中，對(duì)不同凍土冰凍特性進(jìn)行具體的量化研究[4]，來(lái)確定小型渠道工程抗凍脹形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)[5]，在技術(shù)保證和質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)方面不具有實(shí)用性和操作性，因此對(duì)影響渠道結(jié)構(gòu)受力的定量關(guān)系因素進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)小型渠道抗凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更具有實(shí)用可操作性。

本文以某灌區(qū)末級(jí)渠系防滲改造工程為例，對(duì)U形混凝土襯砌渠道從水力學(xué)和抗凍脹結(jié)構(gòu)性能方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，確定U形渠合理優(yōu)化的斷面形態(tài)5]，并對(duì)該U形渠主要凍脹因素及相應(yīng)防治措施進(jìn)行分析論述。

1 基本情況

北疆某大型灌區(qū)末級(jí)渠系原為梯形混凝土板襯砌渠道，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)行凍脹破壞嚴(yán)重，完好率不到45%，渠道滲漏量大，農(nóng)業(yè)灌溉保證率低，嚴(yán)重影響灌區(qū)灌溉。為提高灌區(qū)水利設(shè)施利用率和農(nóng)業(yè)灌溉保證率，保障農(nóng)業(yè)安全，依托國(guó)家財(cái)政支持的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目對(duì)灌區(qū)灌溉渠系進(jìn)行改造和提升，2012年起對(duì)灌區(qū)內(nèi)數(shù)百公里的末級(jí)渠道進(jìn)行了防滲抗凍改造建設(shè)。

根據(jù)地質(zhì)資料，灌區(qū)內(nèi)地層主要由粉質(zhì)粘土組成，屬凍脹土，須提高渠道的抗凍脹性能。通過(guò)論證，采用現(xiàn)澆混凝土U形斷面對(duì)末級(jí)渠道進(jìn)行防滲改造。由于末級(jí)渠系渠道數(shù)量多，為保證不同規(guī)格渠道的設(shè)計(jì)施工質(zhì)量并提高工程建設(shè)效率降低成本，對(duì)不同規(guī)格的渠道斷面采用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一設(shè)計(jì)，確定不同的標(biāo)準(zhǔn)化斷面結(jié)構(gòu)尺寸。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐貙咏Y(jié)冰凍脹情況，結(jié)合渠道水力參數(shù)，分析計(jì)算不同規(guī)格U形渠道標(biāo)準(zhǔn)斷面，保證斷面結(jié)構(gòu)抗凍脹性能及過(guò)流能力的最優(yōu)合理性，同時(shí)在此基礎(chǔ)上確定襯砌參數(shù)及墊層形式。

2 渠道凍脹破壞成因

襯砌渠道冰凍破壞一般分為：襯砌混凝土凍融循環(huán)破壞、渠水結(jié)冰對(duì)混凝土板的破壞、渠基土凍脹造成渠道襯砌的破壞。渠基的凍脹破壞是渠道襯砌破壞最普遍的原因，也是寒冷灌區(qū)渠道襯砌破壞最主要的因素，因此在灌區(qū)渠道抗凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要對(duì)渠基的凍脹破壞進(jìn)行分析并采取相應(yīng)措施[7]，可取得較好的防治凍脹效果。

渠道凍脹產(chǎn)生的重要因素是渠基土內(nèi)的水分遷移導(dǎo)致的渠基凍脹。在負(fù)溫條件下，渠基土凍深范圍內(nèi)的水分結(jié)冰時(shí)，土壤中的水分不斷向凍結(jié)鋒面遷移并出現(xiàn)凍結(jié)膨脹現(xiàn)象。根據(jù)水分遷移機(jī)理，渠道滲漏的水分及地下毛細(xì)水由下部土體向凍結(jié)鋒面聚集并重新分布，水分遷移在凍結(jié)面上形成冰夾層和冰楔，在緊密接觸的土顆粒之間楔入冰層，土顆粒間的有效壓力通過(guò)顆粒間的冰楔傳遞，冰夾層和冰楔不斷加厚導(dǎo)致凍脹土層體積不斷增大[8]。在此過(guò)程中由于受到混凝土襯砌的約束而產(chǎn)生凍脹力。渠道混凝土板在凍脹力的作用下被抬起，同時(shí)渠道襯砌會(huì)與渠基土凍結(jié)為一整體，在凍脹力、凍結(jié)力及重力的共同作用下，襯砌板上的各種法向和切向應(yīng)力在混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生不均勻的彎矩和拉應(yīng)力，使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂并導(dǎo)致渠道襯砌凍脹破壞[9]。

因此，整體式混凝土U形斷面渠道抗凍脹措施主要從2個(gè)方面考慮：①優(yōu)化混凝土U形斷面結(jié)構(gòu)，提高渠道襯砌自身抗凍脹破壞性能；②對(duì)渠基凍脹土進(jìn)行換填，降低渠基土的凍脹性。

3 渠道凍脹結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

3.1 U形襯砌力學(xué)模型設(shè)定

渠道混凝土襯砌凍脹破壞的主要原因是凍脹力作用下襯砌結(jié)構(gòu)的不均勻凍脹變形被渠床凍土凍結(jié)約束和襯砌之間相互約束，在此作用下襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩和拉應(yīng)力超過(guò)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)抗拉抗彎能力時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)就發(fā)生破壞。在實(shí)際工程中，渠道在結(jié)冰及基土凍結(jié)凍脹過(guò)程中的各種內(nèi)力和外力變化是十分復(fù)雜的[10，11]。通過(guò)工程實(shí)踐和相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)研究，在混凝土渠道的凍脹力學(xué)分析中，對(duì)渠道的受力條件進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化和假設(shè)，建立符合實(shí)際的力學(xué)模型[12，13]，對(duì)一般U形渠道的抗凍脹結(jié)構(gòu)分析是可靠有效的途徑，可以滿足渠道斷面的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算設(shè)計(jì)需要。

根據(jù)U形渠道凍脹破壞特征、成因及破壞機(jī)理，整體式混凝土襯砌U形渠道的力學(xué)模型基于以下假設(shè)：凍脹力對(duì)稱分布，兩側(cè)均以最不利的陰坡計(jì)算；襯砌混凝土為線彈性材料，可應(yīng)用迭加原理；凍土的彈性模量遠(yuǎn)小于混凝土的彈性模量，只考慮土體對(duì)襯砌板施加凍脹力并提供被動(dòng)凍結(jié)約束[14]；法向凍脹力在直板處呈線性分布，渠底最大渠頂最小，直板與弧板相接處與基土牢固凍結(jié)，該點(diǎn)的法向凍結(jié)力為最大值，并在圓弧段均勻分布；切向凍結(jié)力τ沿直板線性分布，在直板與弧板相接處取得最大值，在圓弧段隨半圓心角α呈線性遞減，在渠底處為零；U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)屬薄殼結(jié)構(gòu)，其自重相對(duì)于凍脹力及約束反力很小，暫不考慮其影響[15]。

3.2 U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

3.2.1U形渠道最佳水力斷面計(jì)算

輸水最佳水力斷面在一定的縱坡、糙率系數(shù)及流量條件下， 過(guò)水?dāng)嗝婷娣e最小。U形渠道過(guò)水?dāng)嗝嫒鐖D1所示，其面積S計(jì)算整理結(jié)果如下：

圖1 U形渠道過(guò)水?dāng)嗝媸疽鈭D

(1)

式中，R—弧底半徑，m；2α—弧底圓心角,(°)；L—渠坡直線段長(zhǎng)度,m。

在渠道某一半徑情況下，渠道斷面積由渠坡直線段和弧底圓心角決定，分別對(duì)L和α求導(dǎo)，得最佳水力斷面參數(shù)：

(2)

(3)

解得：

(4)

令

(5)

3.2.2U形襯砌抗凍脹分析計(jì)算

根據(jù)基本假設(shè)，U形襯砌渠道法向凍脹力、切向凍結(jié)力分布如圖2所示。

圖2 法向凍脹力、切向凍結(jié)力分布圖

渠道坡面在法向凍脹力、凍結(jié)力和切向凍結(jié)力共同作用下形成懸臂梁超靜定結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力?；炷量估瓘?qiáng)度較低，渠道結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)避免構(gòu)件受拉破壞，使拉應(yīng)力最小。

由以上對(duì)渠道邊坡受力情況分析，求得以下U形襯砌板的彎矩表達(dá)式：

(1)渠坡段

(6)

當(dāng)x=L時(shí)，得：

(7)

式中，b—襯砌板厚度,m；τ—切向凍脹力，kN/m3；q—法向凍脹力，kN/m3；F—法向凍結(jié)力，kN。

U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)屬薄殼結(jié)構(gòu)，切向凍脹力對(duì)混凝土坡面彎矩很小可忽略不計(jì)，故式(7)可以簡(jiǎn)化為:

(8)

(2)圓弧段

以弧底頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，任意一點(diǎn)處的彎矩Mβ為:

Mβ=ML-MQ-Mτ-Mq(0≤β≤α)

(9)

(10)

(11)

Mq=qR[1-cos(α-β)]

(12)

式中，R—弧底圓弧半徑,m；α—弧底圓心角的一半,(°)；β—圓弧段任意一點(diǎn)圓心角,(°)。

U形襯砌彎矩分布如圖3所示，U形襯砌弧底頂點(diǎn)處負(fù)彎矩最大，即β=0時(shí)，有Mβ=Mmax負(fù)；而渠坡與圓弧連接處正彎矩最大。要使U形襯砌所受彎矩大小均勻，讓最大正負(fù)彎矩絕對(duì)值相等。將β=0代入式(9)，再令Mmax負(fù)=Mmax正，整理得下式:

圖3 U形襯砌彎矩分布示意圖

(13)

對(duì)渠道襯砌整體而言， 豎向凍脹力與凍結(jié)力為大致平衡力，由∑Y=0 得：

(14)

將式(14)代入關(guān)系式(13)，等式兩邊同除以R2，并令L/R=m，同時(shí)將F=qL/3代入，整理關(guān)系式得:

(15)

4 U形渠斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

北疆某寒冷灌區(qū)U形渠系列斷面設(shè)計(jì)參照以上計(jì)算結(jié)果，斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式如下所述。

整體式U形混凝土渠道斷面主要從優(yōu)化混凝土U形襯砌結(jié)構(gòu)和降低渠基土的凍脹性兩個(gè)方面提高渠道抗凍脹性能。

4.1 U形渠斷面幾何規(guī)格確定

通過(guò)以上抗凍脹結(jié)構(gòu)和水力斷面分析計(jì)算，選擇確定U形渠最優(yōu)結(jié)構(gòu)斷面。以上計(jì)算避免了通過(guò)大量復(fù)雜的室內(nèi)外試驗(yàn)確定凍土的有關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)，而是計(jì)算抗凍脹結(jié)構(gòu)和水力學(xué)意義上的最佳斷面，從凍脹力、切向凍結(jié)力的分布情況來(lái)選擇U形渠最優(yōu)結(jié)構(gòu)斷面，為斷面設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

北疆某灌區(qū)末級(jí)渠系防滲改建工程采用整體混凝土襯砌U形渠道，根據(jù)以上抗凍脹結(jié)構(gòu)和水力計(jì)算結(jié)果確定U形渠合理標(biāo)準(zhǔn)斷面系列規(guī)格如圖4所示，U形渠道斷面圓弧中心角取∠2α=136.4°，即∠α=68.2°。根據(jù)灌區(qū)情況共設(shè)置5種半徑R、6種渠深H的標(biāo)準(zhǔn)斷面，各種規(guī)格U形渠標(biāo)準(zhǔn)斷面幾何參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 防滲改建U形渠道各規(guī)格斷面參數(shù)表 單位：cm

圖4 灌區(qū)系列U形渠斷面規(guī)格圖

該防滲改建工程在設(shè)計(jì)施工中采用以上規(guī)格的U形渠道標(biāo)準(zhǔn)斷面，即滿足渠道抗凍脹性能和過(guò)流能力要求特征，減少了設(shè)計(jì)中各渠道斷面結(jié)構(gòu)和最佳水力條件重復(fù)驗(yàn)算，在工程施工中也可成批購(gòu)置固定規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)模具，簡(jiǎn)化了施工模具設(shè)備的加工制作，提高模具的重復(fù)利用率和施工效率，降低了施工成本。

4.2 防凍墊層形式

對(duì)渠基凍脹土進(jìn)行換填，降低渠基土的凍脹性，是渠道防治凍脹的重要措施。渠基換填與優(yōu)化混凝土斷面襯砌抗凍脹結(jié)構(gòu)措施相結(jié)合，才能更好地提高渠道的抗凍脹性能，防止寒區(qū)渠道的凍脹破壞。

該U形渠道設(shè)計(jì)根據(jù)當(dāng)?shù)貎錾?，?duì)渠基凍脹土進(jìn)行了置換，如圖5所示。渠道在冬季結(jié)冰期基本停止運(yùn)行，項(xiàng)目區(qū)冬季地下水位低于渠底，治理渠基土的凍脹重點(diǎn)考慮地下水通過(guò)毛細(xì)作用向渠基結(jié)冰層凍結(jié)峰面進(jìn)行水分遷移而形成渠基的凍脹。墊層的類型應(yīng)根據(jù)斷面形式及凍土水分情況進(jìn)行設(shè)置[16]，該U形渠防凍墊層只對(duì)渠底部分的渠基凍脹土進(jìn)行置換，渠坡部分由于較地下水較遠(yuǎn)且有渠底換填層進(jìn)行隔離，地下水難以對(duì)渠坡處渠基土進(jìn)行水分遷移補(bǔ)充，故直接使用挖方土進(jìn)行填筑，即可滿足渠基的凍脹要求又便于施工節(jié)約成本。

圖5 灌區(qū)U形渠斷面結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

該大型灌區(qū)末級(jí)渠系防滲改建項(xiàng)目均采用此類結(jié)構(gòu)型式的U形混凝土防滲渠道，抗凍脹效果顯著，工程實(shí)施以來(lái)，經(jīng)過(guò)改建的U形渠道再未發(fā)生明顯的凍脹破壞現(xiàn)象，為灌區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展提供良好的灌溉保障。

5 結(jié)語(yǔ)

以上整體式混凝土襯砌U形斷面渠道抗凍脹結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，優(yōu)化確定寒區(qū)U形防滲渠斷面的合理結(jié)構(gòu)形狀，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)渠基地層的凍脹水分遷移特征和地下水情況，采用合理的渠基換填方式來(lái)控制渠基土的凍脹，有效解決該寒冷灌區(qū)U形渠道的凍脹問(wèn)題，具有很好的操作性。

該寒冷灌區(qū)末級(jí)渠系防滲改建工程，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行和寒冬凍融周期的考驗(yàn)，渠道運(yùn)行正常、斷面結(jié)構(gòu)完好，完全達(dá)到預(yù)期。渠道結(jié)構(gòu)參數(shù)合理，符合寒區(qū)U形渠道凍脹規(guī)律，抵抗凍害的能力強(qiáng)且易于施工；渠道斷面采用標(biāo)準(zhǔn)化配套尺寸，即保證了渠道斷面設(shè)計(jì)的合理性，又簡(jiǎn)化了渠道的設(shè)計(jì)施工程序，降低了施工配套成本，提高了工程的建設(shè)效率和質(zhì)量。對(duì)寒區(qū)U形渠道的設(shè)計(jì)建設(shè)具有一定的工程借鑒和參考價(jià)值。