張 晶

(河北省子牙河務中心，河北 衡水 053000)

我國是灌溉水利的建設和應用大國，灌溉渠系的設計和建設對保證灌區(qū)灌溉效果，提高有限灌溉水資源的應用效率具有十分重要的意義和作用[1]。但是，我國的許多灌溉渠道由于建造的年代久遠，加上設計標準偏低，存在比較嚴重的老化和失修問題[2]。另一方面，受到地理位置和氣候因素的影響，我國的季凍區(qū)面積十分廣大，約占我國國土總面積的50%。在我國北方的季凍區(qū)，渠道的冬春季凍脹破壞問題十分普遍，已經成為當?shù)赜绊懬肋\行安全和耐久性的重要因素[3]。某灌區(qū)在冬春季節(jié)的凍融循環(huán)作用下經常發(fā)生比較嚴重的凍脹破壞現(xiàn)象，加上運行時間長久，因此渠道的滲漏現(xiàn)象也比較嚴重，造成渠系水利用效率大幅降低[4]。近年來，隨著灌區(qū)灌溉面積的不斷拓展，渠道周邊地區(qū)農田的含水量有所增大，進一步加劇了渠道的凍脹破壞。在這一背景下，凌源市積極籌集資金，實施灌區(qū)的改造和續(xù)建工程，而改善渠道的凍脹破壞是渠道改造的重要目標。在具體的工程設計中，采用其他防凍脹措施的同時，考慮到當?shù)厣奥咽牧戏植紡V泛，擬采用砂卵石換填渠道基土，提高渠道抗凍脹性能?；诖耍舜窝芯客ㄟ^現(xiàn)場試驗的方式，分析和探討砂卵石換填對渠道襯砌抗凍脹效果影響，給工程優(yōu)化設計提供支持。

1 試驗設計

1.1 試驗段選擇

試驗中選擇陳杖子灌區(qū)2#支渠Z0+000～Z0+100段作為試驗段。該段渠道采用的是現(xiàn)澆型混凝土襯砌渠道，渠道斷面為梯形設計，邊坡坡度為1.5，渠底寬2.0 m，渠深1.5 m。渠道的基土土質為粉質壤土，地下水位在渠道底板以下0.2 m 部位。

1.2 試驗目的

根據寒區(qū)工程的特點以及凍土理論，渠道基土的凍脹主要是負溫條件下土體內部的孔隙水凝結造成的，因此渠道凍脹破壞與負溫、含水量以及基土土體的孔隙率之間具有十分密切的關系。利用砂卵石換填部分基土，可以起到阻隔地下水的作用，減少換填層內的含水量，同時依靠其增加孔隙冰析出的臨界力，從而實現(xiàn)凍脹量的有效控制。因此，研究中以選擇的試驗段為例，通過對不同方案下的地溫、濕度以及凍脹量的觀測和分析，探討砂卵石換填對渠道襯砌抗凍脹效果的具體影響。

1.3 試驗方法

試驗中對基土溫度和凍深的監(jiān)測利用的是單點溫度傳感器，在渠道左右兩側的頂部和渠底各布置一組溫度傳感器，共4組溫度傳感器。鑒于遼西地區(qū)冬季最大凍深為1.2 m，基土自地表2.0 m以下的溫度變化對凍脹的影響作用不大,因此，各組溫度傳感器的鉆孔深度為2.0 m，孔內每隔20 cm布置1個溫度傳感器，自上而下共布置11個溫度傳感器[5]。為了避免傳感器位置變化，要將所有的溫度傳感器串聯(lián)固定并放入PVC管，再放入溫度孔。

在換填條件下，孔隙中的水濕度是上部自由水的主要來源，其變化情況會直接影響襯砌結構的凍脹特點[6]。研究中的孔隙水濕度監(jiān)測采用的是SHT30型土壤濕度傳感器。在傳感器的安裝過程中，需要將探針水平插入土體，并與土體緊密接觸[7]。

在凍脹量的監(jiān)測方面，采用凍脹位移傳感器[8]。在埋設過程中，首先需要鉆孔到設計的深度，然后在鉆孔內放入延長桿，在延長桿上設置防凍結套筒，使延長桿底部的底座和土體緊密接觸，并在孔中回填原狀土，然后壓實。其具體的埋設方式如圖1所示。

圖1 凍脹位移傳感器埋設方式

1.4 試驗方案設計

試驗段的襯砌結構為厚度6 cm的預制混凝土板，表層為3 cm的水泥砂漿抹面，襯砌結構與基土之間布置厚度為5 cm的聚丙烯泡沫板。在基土換填方案下，將襯砌結構以下50 cm厚的基土換填為不同粒徑的砂卵石材料。為了研究獲取換填砂卵石對渠道抗凍脹效果的影響，根據當?shù)厣奥咽系膶嶋H特點，研究中設計了2～4 cm、4～6 cm、6～8 cm和10～15 cm等四種不用粒徑的砂卵石料進行換填試驗，分別記為方案1、方案2、方案3、方案4，同時將沒有換填的原狀基土作為對比方案，記為方案5。試驗段在2020年12月1日完工并開始試驗，12月30日試驗結束。

2 試驗結果與分析

2.1 凍深試驗結果與分析

對試驗中獲得的溫度垂向分布數(shù)據進行整理，獲取典型時段的最大凍深，如表1所示。由表1中的數(shù)據可以看出，隨著環(huán)境溫度的逐步降低，各方案的基土最大凍深也呈現(xiàn)出逐步增加的變化特征，但是增加的幅度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。從不同方案的試驗結果對比來看，方案5，即沒有換填基土方案的凍深明顯偏大。以試驗結束的12月 30日數(shù)據為例，其最大凍深為1.14 m，與方案1、方案2、方案3和方案4相比，分別大了35.7%、48.1%、70.1%和56.2%。由此可見，對渠道基土進行砂卵石換填可以顯著降低基土的凍深，這對于控制渠道的凍脹破壞是有利的。另一方面，從不同換填方案的試驗結果來看，基土凍深會隨著砂卵石粒徑的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點，方案3，即砂卵石的粒徑在6～8 cm 時的凍深相對較淺，渠道的抗凍脹效果最佳。

表1 不同方案的最大凍深試驗結果 m

2.2 濕度試驗結果與分析

對試驗中獲得的換填層濕度數(shù)據(方案5為同深度土層數(shù)據)整理,獲取典型時段的濕度數(shù)據，如表2所示。由表2中的數(shù)據可以看出，各試驗方案換填層的濕度隨著試驗的進行，呈現(xiàn)出先下降后上升最終趨于穩(wěn)定的變化特征。從不同試驗方案的結果對比來看，方案5的濕度值較其余4個方案明顯偏大，說明砂卵石換填有助于降低基土濕度，對控制凍脹變形有利。從不同換填方案的對比來看，方案3的濕度試驗結果最小，說明該方案對控制基土濕度最為有利。

表2 不同方案的換填層濕度試驗結果 %

2.3 凍脹量試驗結果

對試驗中獲得的溫度垂向分布數(shù)據，整理獲取典型時段襯砌結構的最大凍脹量，結果如表3所示。由表3中的數(shù)據可以看出，渠道襯砌的凍脹量隨著試驗的進行呈現(xiàn)出先減小后增大并逐漸趨于穩(wěn)定的特點，原因是施工完成之后基土存在一定的沉降變形，之后逐漸產生凍脹變形。從不同方案的對比來看，換填方案較不換填方案5明顯減小。從12月30日的試驗結果來看，方案1、方案2、方案3、方案4較不換填方案5分別減小了約29.7%、40.7%、45.9%和43.0%。由此可見，進行砂卵石基土換填可以對凍脹量產生明顯的控制作用，有效防止渠道襯砌結構的凍脹破壞。從不同的換填方案對比來看，方案3的凍脹量最小，說明該方案對控制襯砌結構的凍脹破壞最為有利。

表3 不同方案的襯砌結構最大凍脹量試驗結果 mm

3 結 論

此次研究通過現(xiàn)場試驗的方式，探討了砂卵石換填對渠道襯砌抗凍脹效果的影響，獲得的主要結論如下：

(1)砂卵石換填有助于減小渠道基土的凍深，砂卵石的粒徑在6～8 cm時的凍深最淺。

(2)砂卵石換填有助于減小渠道基土換填層濕度，砂卵石的粒徑在6～8 cm時的換填層濕度最小。

(3)砂卵石基土換填可以對凍脹量產生明顯的控制作用，方案3對控制襯砌結構的凍脹破壞最為有利。

(4)綜上，砂卵石換填可以顯著提高渠道襯砌抗凍脹性能，且砂卵石的粒徑在6～8 cm時的效果最佳。