趙 斐，辛明芳

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司， 天津 300202；2.內蒙古引綽濟遼供水有限責任公司， 內蒙古 烏蘭浩特 137400)

1 概述

灌溉技術是農業(yè)發(fā)展的必要基礎，隨著社會的發(fā)展和進步，人們對糧食數(shù)量和質量的需求度不斷提高，對灌溉技術水平的要求也愈加提高，農田灌溉渠道應運而生。我國作為人口大國和水資源相對貧乏的國家，提高灌溉渠道水資源的利用率，充分發(fā)揮有限水資源的價值和作用就顯得尤為重要。

鹽堿土指的是土壤中易溶鹽含量超過0.3%的土，其具有鹽脹、融陷和腐蝕等不良工程特點，給農業(yè)生產造成諸多不利影響[1]。在我國，也有十分廣泛的鹽堿土分布，松嫩平原、黃淮海平原、濱海地區(qū)和西北內陸地區(qū)均有大面積的鹽堿土分布。當鹽堿土的含水量較低時，其中的大部分鹽分會以晶體的形式存在于土壤顆粒之間，起到一定的骨架作用，因此土體的承載力較強。但是在降雨、灌溉等條件下，土壤中的鹽分溶解，進而造成渠道襯砌結構的融陷，而在冬季低溫條件下又會造成十分嚴重的凍脹破壞[2]。因此，在鹽堿土地區(qū)進行渠道建設時，不僅要需要提高襯砌結構的強度和抗腐蝕性，還應該對渠道基土進行改良，提升其抗凍脹性能。根據(jù)李宏波等人的研究，綜合利用水泥、粉煤灰、硅灰、鎂渣等材料對鹽堿土進行改良，可以獲得良好的固化效果，提高渠道基土的承載力，同時還可以實現(xiàn)工業(yè)廢料的資源化利用，具有良好的工程價值、經濟價值和生態(tài)價值[3]。基于此，此次研究通過現(xiàn)場凍脹試驗的方法，對鹽漬區(qū)輸水渠道固化土襯砌結構厚度進行優(yōu)化研究，為相關工程建設提供有益的經驗借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗區(qū)概況

此次研究的試驗區(qū)為某灌區(qū)2#支渠的南側，范圍約2.23hm2，地下水埋深較大，一般為25～38m，不會對試驗結果造成明顯影響。試驗區(qū)內的地形較為平坦，高程在133～135m左右，主要種植小麥和玉米等農作物。試驗區(qū)內包含了1條進水支渠，8條進水斗渠、12條排水斗溝和1條排水支溝。灌區(qū)內的每條溝渠控制灌溉面積約3hm2左右，由于部分渠道的比降相對較大，且鹽堿土的濕陷性較大，因此渠道的損壞現(xiàn)象比較嚴重。試驗區(qū)的土壤以鹽堿土為主，大部分為中度鹽堿土，其中重度鹽堿土約占30%。所選取的試驗段土壤為中度到中度鹽堿土，在試驗區(qū)土壤中具有代表性。試驗區(qū)為典型的溫帶大陸性季風氣候，夏季炎熱，冬季漫長，春秋兩季比較短促，多年平均氣溫為4.5℃，極端最高氣溫37.8℃，極端最低氣溫-34.8℃，最大凍土深度2.04m。

2.2 試驗段選擇

此次現(xiàn)場試驗的主要目的是獲取固化土厚度對襯砌結構防凍脹性能的影響，因此應該選擇完整渠道的一部分，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實性和有效性能夠有效支撐試驗結論，為相關工程建設提供借鑒和支持[4]。另一方面，在試驗段的選擇過程中，還應該先進行鉆土探查，看深層是否存在較大礫石和碎石區(qū)，如果有就需要另選試驗段。同時，試驗段應該靠近電源，保證監(jiān)測設備能夠正常工作[5]。基于上述要求，試驗中選擇試驗區(qū)支渠2+233～2+293段作為試驗段，每種試驗方案渠段長10m，試驗段總長60m。試驗段渠道為梯形斷面設計，渠深1.5m，渠坡坡度為1∶1.5；渠底寬0.8m。其斷面如圖1所示。

圖1 試驗段斷面示意圖

2.3 監(jiān)測設備

試驗中需要用到的監(jiān)測設備有振弦式土壓力盒、振弦式側縫位移計、振弦式孔隙水壓力計、溫濕度傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集儀和設備箱[6]。其中，凍脹量的監(jiān)測采用的是振弦式測縫計監(jiān)測，其結構小，輸出靈敏度高，測量范圍為0～50mm，測量精度小于0.1mm；凍脹力的監(jiān)測利用振弦式土壓力盒監(jiān)測，其測量范圍為0～10MPa，測量誤差小于0.1MPa。

經過和灌區(qū)負責人的溝通，在2020年6月進行固化土和襯砌結構施工以及監(jiān)測設備的布設，然后進行一個冬季的凍脹監(jiān)測，試驗于2021年4月15日結束。由于監(jiān)測設備需要利用電池供電，冬季和連續(xù)陰雨天會導致太陽能電池電量不足，需要在附近拉取電線進行供電。

2.4 試驗方案

根據(jù)李宏波等人的研究成果，利用水泥、粉煤灰、硅灰和鎂渣對試驗段的渠基土進行改良和固化，其固化土的配比方案為水泥3%、粉煤灰20%、硅灰5%、鎂渣30%。按照上述比例對研究段渠道基土進行換填、夯實，然后再進行襯砌結構的施工，上部的襯砌結構為厚度8cm的C25現(xiàn)澆混凝土板[7]。鑒于北方寒區(qū)的輸水渠道凍脹破壞過程中，下部的法向凍脹力和凍結力明顯偏大?？紤]此次研究中固化土的性質和現(xiàn)場的實際情況，研究中確定坡頂部位的加固厚度為30 cm，將坡腳部位的加固厚度視為變量，分別設計30、40、50、60、70cm的厚度進行試驗(渠底的加固厚度與坡腳相同)，同時將沒有設置固化土的方案作為對比方案。試驗中對各種不同厚度方案下的凍脹特征進行監(jiān)測和分析，并結合工程經濟性，綜合確定最佳的加固厚度。

由于選取的試驗段基本呈南北走向，因此兩側渠坡的凍脹特征方面并無明顯的差異，因此僅對渠道的右側渠坡和渠底進行監(jiān)測[8]。為了保證試驗結果的科學性和準確性，每種試驗方案設置在凍脹量最大的渠坡距離渠底2/3部位以及渠底中部分別設置3個監(jiān)測點，分別距離該方案試驗段起點3、5、7m的部位。將3個監(jiān)測點數(shù)據(jù)的均值作為最終試驗結果。

3 試驗結果與分析

3.1 凍脹量

在試驗獲取的數(shù)據(jù)中提取出不同試驗方案渠坡和渠底的凍脹量的最大值，結果見表1。由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，與沒有設置固化土的對比方案相比，在設置固化體渠基土結構方案下，渠道的最大凍脹量均有十分明顯減小，減小幅度在40%～60%左右。由此可見，設置渠基固化土可以有效控制渠道冬春季的凍脹變形，抗凍脹效果十分明顯。

表1 襯砌凍脹量最大值試驗結果

為了進一步分析不同厚度固化土的抗凍脹效果，利用表1中的數(shù)據(jù)繪制出凍脹量隨固化土厚度的變化曲線，結果如圖2所示。由圖2可以看出，渠坡和渠底的最大凍脹量均隨著加固土厚度的增加而減小，說明加固土的厚度越大，抗凍脹效果越強[9]。另一方面，當加固土的厚度小于50cm時，最大凍脹量隨加固土厚度的增加而迅速減小，當加固土的厚度小于50cm時，最大凍脹量的減小不明顯。因此，從凍脹量試驗結果和工程經濟性考慮，加固土的厚度以50cm為最佳。

圖2 凍脹量隨加固土厚度變化曲線

3.2法向凍脹力

在試驗獲取的數(shù)據(jù)中提取出不同試驗方案渠坡和渠底的法向凍脹力最大值，結果見表2。由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，與沒有設置固化土的對比方案相比，在設置固化體渠基土結構方案下，渠道的最大法向凍脹力均有明顯減小，減小幅度在30%～50%左右。由此可見，設置渠基固化土可以有效控制渠道冬春季的凍脹變形，抗凍脹效果明顯。

表2 襯砌法向凍脹力試驗結果

為了進一步分析不同厚度固化土的抗凍脹效果，利用表2中的數(shù)據(jù)繪制出法向凍脹力隨固化土厚度的變化曲線，結果如圖3所示。由圖3可以看出，渠坡和渠底的最大法向凍脹力均隨著加固土厚度的增加而減小，說明加固土的厚度越大，抗凍脹效果越強[10]。另一方面，當加固土的厚度小于50cm時，最大法向凍脹力隨加固土厚度的增加而迅速減小，當加固土的厚度小于50cm時，最大法向凍脹力的減小不明顯。因此，從法向凍脹力試驗結果和工程經濟性考慮，加固土的厚度以50cm為最佳。

圖3 最大法向凍脹力變化曲線

3.3 切向凍脹力

在試驗獲取的數(shù)據(jù)中提取出不同試驗方案渠坡和渠底的切向凍脹力最大值，結果見表3，繪制的最大切向凍脹力隨加固土厚度變化曲線如圖4所示。由試驗結果可以看出，最大切向凍脹力的變化與凍脹量和法向凍脹力具有相同的變化規(guī)律。因此，結合試驗結果和工程經濟性，推薦采用厚度為50cm的固化土。

表3 襯砌切向凍脹力試驗結果

圖4 最大切向凍脹力變化曲線

4 結論

此次研究通過現(xiàn)場試驗的方法，研究了鹽漬區(qū)渠道固化土結構最佳厚度問題。研究結果顯示：設置固化土結構的各個方案的最大凍脹量、最大法向凍脹力和切向凍脹力均大幅減小，說明固化土結構對提高渠道襯砌抗凍脹性能具有顯著作用；從不同方案的對比來看，固化土結構厚度超過50cm時，其對防凍脹性能的提升作用較為有限；結合工程的經濟性，建議固化土結構厚度為50cm。當然，此次研究中對變量的設置比較單一，沒有考慮上部襯砌結構的綜合影響，另采集樣本均有限，在今后的研究中需要進一步擴大樣本進行試驗和分析，以獲得更為全面和科學的研究成果。