陳 凱

(新疆昌源水務(wù)集團(tuán)有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引 言

輸水渠道是灌溉工程的重要組成部分,渠道的安全運(yùn)行直接關(guān)系到灌區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。在寒冷地區(qū),輸水渠道面臨著嚴(yán)重的凍脹破壞問題,給灌區(qū)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)[1]。為防止輸水渠道的凍脹破壞,常用的方法是采用襯砌結(jié)構(gòu)來保護(hù)渠道。剛性襯砌具有強(qiáng)度高、耐久性好、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),但存在著施工難度大、成本高、易開裂等缺點(diǎn)[2];柔性襯砌具有施工方便、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但存在著強(qiáng)度低、易老化、易損壞等缺點(diǎn)[3]。為此,研究人員提出了許多解決方案,其中包括采用剛?cè)峄旌弦r砌結(jié)構(gòu)[4]。該結(jié)構(gòu)采用剛性和柔性兩種材料的組合,既能夠保證渠道的穩(wěn)定性,又能夠緩解凍脹對渠道的影響[5-6]。

剛?cè)峄旌弦r砌結(jié)構(gòu)在季節(jié)凍土區(qū)的凍脹機(jī)理尚不清楚,為了探明這些問題,本文以梯形截面為例,采用室內(nèi)試驗(yàn)方法,對東港市土壤改良試點(diǎn)的灌溉與排水工程凍土區(qū)剛?cè)峄旌弦r砌梯形渠道的凍脹機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)分析,為渠道工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

東港市土壤改良試點(diǎn)的灌溉與排水工程位于坡度為6°～12°的丘陵地區(qū),年徑流量105 000×104m3。灌溉與排水工程的主要內(nèi)容是排澇溝的襯砌和配套設(shè)施的建設(shè)。排澇溝的襯砌方式有4種,分別為預(yù)制混凝土梯形槽、現(xiàn)澆混凝土梯形槽、現(xiàn)澆混凝土梯形溝和漿砌石擋土墻,總長度28 929m。配套設(shè)施包括路涵、農(nóng)道橋、過水路面和預(yù)制混凝土管,總長度1 593m。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本文基于土渠基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和已有的研究成果,采用等厚板模型,對混凝土襯砌板進(jìn)行設(shè)計(jì)?；炷烈r砌板的厚度定為12cm,采用C20級混凝土,其彈性模量2.3×104MPa。為了防止水滲透,渠道坡板和底板下方鋪設(shè)復(fù)合土工膜,同時(shí)采用現(xiàn)澆混凝土作為護(hù)坡材料。渠道邊坡經(jīng)過蛙式打夯機(jī)的夯實(shí)處理,確保干密度不低于1.6g/cm3,土壤含水率在16%～23%之間。渠道設(shè)計(jì)流量21m3/s,最大流量26 m3/s。

本文對該渠道的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析和評價(jià)。為了評估復(fù)合襯砌渠道在實(shí)際工作環(huán)境下的凍脹行為,試驗(yàn)段在進(jìn)行凍脹試驗(yàn)之前,按照設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行水位試驗(yàn)。渠道兩側(cè)的百葉箱內(nèi)安裝有溫度計(jì)、最高溫度計(jì)和最低溫度計(jì),用于每日記錄氣溫的變化情況。

為了研究混合襯砌渠道的土壤溫度和凍土層厚度的變化,選擇兩個(gè)長度均為300cm的試驗(yàn)段。在渠道的左岸、渠底和右岸各布置3個(gè)測溫點(diǎn),分別用A、B、C和E、F、G表示,見圖1。此外,在渠底安裝一個(gè)測溫點(diǎn)D。每個(gè)測溫點(diǎn)均采用WS-4型多層次遙感土壤溫度計(jì),可同時(shí)測量不同深度的土壤溫度。每天收集土壤溫度數(shù)據(jù),并計(jì)算每個(gè)測溫點(diǎn)的日最高和最低土壤溫度。

為了探究渠道凍土的變化規(guī)律,在地溫測試段的基礎(chǔ)上,增設(shè)凍深測試段,共有7個(gè)測試點(diǎn)。使用LQX-DT型凍土器作為凍深測量儀器,將其垂直埋入土壤中,與地面齊平。在冬季凍結(jié)過程中,每天早8時(shí)記錄凍深數(shù)據(jù),并根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制不同測試點(diǎn)的凍深變化曲線。同時(shí),為了分析渠道的凍脹應(yīng)力變化規(guī)律,設(shè)計(jì)一個(gè)長400cm的凍脹應(yīng)力測試段,其測試點(diǎn)的位置和數(shù)量與凍深測試段一致。使用應(yīng)變式荷重傳感器來測量凍脹應(yīng)力,每天對每個(gè)測試點(diǎn)進(jìn)行一次測量,每個(gè)測量面積為4.0m2。通過上述方法,可以探究渠道在凍融循環(huán)中的應(yīng)力演變特征。

本研究目的是通過試驗(yàn)手段,探討復(fù)合襯砌渠道在凍融循環(huán)下的變形特征。為此,建立一個(gè)長500cm的凍脹變形試驗(yàn)段,并在渠底中心、設(shè)計(jì)水位1/3處、設(shè)計(jì)水位2/3處、設(shè)計(jì)水位和渠道超高保護(hù)層中心處設(shè)置9個(gè)觀測點(diǎn)。利用預(yù)埋固定件和水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀相結(jié)合的方法,分別測量水平方向和垂直方向的位移,并通過向量運(yùn)算,求得渠坡方向的位移,即復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹量。同時(shí),建立一個(gè)長2 000cm的土壤水分變化試驗(yàn)段,觀測點(diǎn)的位置與地溫試驗(yàn)段一致。根據(jù)不同的觀測時(shí)間,選擇適當(dāng)?shù)挠^測點(diǎn)數(shù)量。使用土鉆在混合襯砌體下不同深度處采集土樣,并用干燥法確定土壤的含水率。每次采樣后,用原土料填充原位,以保證含水率的測量結(jié)果與實(shí)際情況一致。下次采樣距上次采樣距離為30～50cm。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫及不同深度地溫變化規(guī)律

圖2為試驗(yàn)區(qū)在整個(gè)凍融周期(140d)內(nèi)的極端氣溫變化情況。極端氣溫經(jīng)歷了兩次低點(diǎn)和一次高點(diǎn),第一次低點(diǎn)出現(xiàn)在2020年1月8-10日,最低氣溫為-25℃;然后氣溫有所上升,直到2020年1月30日為-11 ℃;之后氣溫又逐漸下降,在2014年2月18日達(dá)到-24℃,這是第二次低點(diǎn);接下來氣溫又開始波動升高,在2020年3月19日最低氣溫上升到1℃。在整個(gè)凍融周期中,氣溫呈現(xiàn)出波動的變化特征。

圖2 試驗(yàn)區(qū)氣溫變化

剛?cè)峄旌弦r砌渠道是一種具有抗?jié)B性能的新型渠道結(jié)構(gòu),它利用復(fù)合土工膜作為渠道的防滲層,有效解決了滲漏、凍裂等問題。圖3為剛?cè)峄旌弦r砌渠道各部位的最低地溫變化情況。從圖3可以看出,陰坡的最低地溫最低,陽坡的最低地溫最高;陰坡的最低地溫達(dá)到-25℃,陽坡的最低地溫達(dá)到-21℃。剛?cè)峄旌弦r砌渠道各部位的最低地溫變化趨勢與氣溫變化趨勢相同。即當(dāng)氣溫下降或上升時(shí),剛?cè)峄旌弦r砌渠道各部位的最低地溫也隨之下降或上升。與圖2相比,各部位的最低地溫也有兩個(gè)波谷和一個(gè)波峰,第一個(gè)波谷出現(xiàn)在2020年1月10-11日。各部位的最低地溫變化與日最低氣溫變化比較相似。對比氣溫和最低地溫的變化情況可以發(fā)現(xiàn),最低地溫的變化稍微滯后于氣溫的變化。

圖3 渠道不同部位地溫

3.2混合襯砌渠道凍深、凍脹量及凍脹力變化

采用DTM-2型凍土器來檢測凍土的變化情況,把它沿著垂直于測點(diǎn)平面的方向埋入地下。在凍結(jié)過程中,每天對凍土器進(jìn)行觀測,測量各測點(diǎn)的凍深值。圖4為剛?cè)峄旌弦r砌渠道不同測點(diǎn)的凍深變化曲線,表明凍土的生成和演化過程。

圖4 渠道不同測點(diǎn)凍深

采用固定件水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀,分別對水平位移和垂直位移量進(jìn)行測量,以得到凍脹變形數(shù)值。在渠道四周10m范圍內(nèi),設(shè)置深1.8m的基準(zhǔn)高程點(diǎn)。該深度低于歷史最大凍深(1.72m)的實(shí)測值,可避免凍拔現(xiàn)象對測量結(jié)果的影響。為了利用經(jīng)緯儀進(jìn)行觀測,在渠道中心選擇3個(gè)固定點(diǎn)作為儀器的放置點(diǎn),每次觀測時(shí),都要保證經(jīng)緯儀準(zhǔn)確放在固定點(diǎn)上,然后依次記錄特征點(diǎn)的角度。

為了測量凍脹應(yīng)力,在自凍結(jié)過程中,每天利用荷重傳感器記錄數(shù)據(jù)。以4.0m2的混凝土襯砌渠道為試驗(yàn)對象,其凍脹應(yīng)力的最大值發(fā)生在陰坡的1/3高度處,達(dá)到178kPa。渠道底部的凍脹應(yīng)力也較高,為163kPa。在冬季,混合襯砌渠道的陰坡和渠底受到嚴(yán)重的凍脹作用,造成襯砌結(jié)構(gòu)的變形和位移。其中,陰坡的E點(diǎn)和渠底的D點(diǎn)是凍脹位移最大的兩個(gè)點(diǎn),分別為13.1和11.2cm。其次是陰坡的F、G兩點(diǎn),其位移也超過9cm。陽坡的位移則相對較小。隨著氣溫的升高,凍脹位移有所縮小,但仍有一定的殘留。

在原型渠道凍脹試驗(yàn)中,復(fù)合襯砌渠道受到渠基土壤凍脹力的影響,其大小與最低地溫有關(guān)。陰坡E點(diǎn)和底部D點(diǎn)的復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)承受最大的凍脹力,分別為178和163kPa;而陽坡的凍脹力相對較小。最低地溫達(dá)到極值時(shí),凍脹力也隨之達(dá)到最大值,且主要集中在渠道陰坡底部上方1/3的區(qū)域。隨著最低地溫的升高,凍脹力逐漸減小,最后穩(wěn)定在一個(gè)負(fù)值,這是由于最低溫度升高導(dǎo)致渠基土壤融化下沉所致。

3.3 土壤水分變化

為了研究剛?cè)峄旌弦r砌渠道在季節(jié)凍土區(qū)的凍脹機(jī)理,本文對渠基土壤在不同位置和深度的含水率進(jìn)行測試和計(jì)算。圖5為凍結(jié)期不同測點(diǎn)含水率隨土層深度的變化趨勢。從圖5可以看出,在凍結(jié)期,無論是陰坡、陽坡還是渠底,都呈現(xiàn)出相同的水分變化規(guī)律。即在0～60cm土層內(nèi),含水率隨著深度的增加而增加;在60～120cm土層內(nèi),含水率隨著深度的增加而減少。深度60cm處是土壤水分最高的地方,也是土壤凍結(jié)鋒面所在,這使得渠底和陰坡受到較大的凍脹作用。

圖5 不同測點(diǎn)含水率與深度的關(guān)系

3.4柔性復(fù)合土工膜的變形特征和強(qiáng)度變化

復(fù)合土工膜是一種能夠防止?jié)B漏和抵抗凍脹的柔性材料,它能夠適應(yīng)基礎(chǔ)的變形。為了檢測一個(gè)凍融周期后復(fù)合土工膜的性能變化,在試驗(yàn)段的不同位置隨機(jī)抽取復(fù)合土工膜的試樣,包括陽坡、渠底和陰坡各3個(gè)。使用TZY-1型土工合成材料綜合測定儀,對試樣的強(qiáng)度和變形進(jìn)行測試。經(jīng)過一個(gè)凍融周期后,復(fù)合土工膜的剩余強(qiáng)度和延伸率的變化見表1。根據(jù)測試結(jié)果,復(fù)合土工膜在經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后,由于凍脹力的影響,其縱向和橫向的抗拉強(qiáng)度分別降低9.4%和8.1%,最低值分別為4.9和4.4 kN/m;其伸長率下降8%,損傷率為5.6%。但材料的強(qiáng)度和極限伸長率仍然高于90%,表明復(fù)合土工膜的性能損失較小,不會對工程的安全造成影響。

表1 復(fù)合土工膜參數(shù)

4 結(jié) 論

本文以梯形截面為例,采用室內(nèi)試驗(yàn)方法,對東港市土壤改良試點(diǎn)的灌溉與排水工程凍土區(qū)剛?cè)峄旌弦r砌梯形渠道的凍脹機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。結(jié)論如下:

1)剛?cè)峄旌弦r砌渠道各部位的最低地溫變化趨勢與氣溫變化趨勢相同。即當(dāng)氣溫下降或上升時(shí),剛?cè)峄旌弦r砌渠道各部位的最低地溫也隨之下降或上升。

2)隨著最低地溫的升高,凍脹力逐漸減小,最后穩(wěn)定在一個(gè)負(fù)值,這是由于最低溫度升高導(dǎo)致渠基土壤融化下沉所致。

3)深度60cm處是土壤水分最高的地方,也是土壤凍結(jié)鋒面所在,這使得渠底和陰坡受到較大的凍脹作用。

4)復(fù)合土工膜在經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后的性能損失較小,不會對工程的安全造成影響。