李茜然

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510635)

0 引言

輸水干渠對農業(yè)生產具有重要價值,渠道輸水安全受多方面因素影響,如襯砌結構、渠基土特性等[1-2]。襯砌結構凍脹特征反映了渠道低溫條件下運營能力,對提高渠道襯砌結構抗凍脹設計具有參考作用。劉玉杰[3]、石嬌等[4]為研究渠道襯砌結構靜、動力特征,借助仿真建模計算方法,探討了不同輸水工況下襯砌結構的應力、位移以及動力響應特征,為結構設計及驗算提供依據。肖旻等[5]、劉裕[6]為探討襯砌結構凍脹特征,引入雙參數地基梁模型方法,分析了襯砌結構的凍脹反力、凍脹量變化,豐富了襯砌結構抗凍脹設計參考成果。田金玉[7]、張辛洋[8]、楊春旗[9]為研究襯砌結構凍脹影響特性,設計了襯砌厚度、地下水位以及結構材料等不同因素方案,對襯砌結構的凍脹剪力、凍脹彎矩展開對比分析,有助于揭示襯砌結構凍脹影響機理。本文為研究高州灌區(qū)輸水干渠襯砌結構凍脹特性,從渠基土滲透特性入手,探討了襯砌結構的凍脹位移、凍脹剪力以及凍脹彎矩變化,為結構抗凍脹設計提供參考。

1 研究概況

1.1 工程介紹

高州水庫灌區(qū)乃是粵西沿海地區(qū)重要農業(yè)水利設施,所轄地區(qū)南北長為53 km,東西寬為40 km,橫跨高州、湛江多個城區(qū)與鄉(xiāng)鎮(zhèn),對地區(qū)內農業(yè)灌溉、防洪排澇以及生態(tài)用水補充均具有重要作用。高州水庫灌區(qū)現有耕地超過144萬畝,在干、支渠還未投入運營前,農業(yè)灌溉保證率常年維持在45%上下,即使來水保證率95%下,農業(yè)缺水率仍然接近10%,造成農業(yè)生產效率降低,地表各類水工設施年調度農業(yè)用水不超過500萬 m3。從高州水庫灌區(qū)現狀考慮,其所建設干渠長度超過120 km,且分布有石鼓支渠、茂名南、北支渠等重要干線工程,全灌區(qū)內渠道底面高程分布為20～35 m,智慧農業(yè)水利系統(tǒng)運營監(jiān)測表明,在運營5～10 a內,高州水庫灌區(qū)仍具有90%以上的輸水效率,年調水量超過2 500萬 m3,減少地區(qū)枯水季農業(yè)缺水率5%～8%。為有效保障高州水庫灌區(qū)農業(yè)生產,不僅需要新建輸水干、支渠工程,也在轄區(qū)內建設有多個梯級水利調節(jié)樞紐,包括有江邊村攔河壩、積美攔河壩以及高嶺攔河壩等梯級工程,有效調節(jié)鑒江、袂花江各支流水資源分布,特別是在夏季臺風季節(jié),對緩和湛江、高州等地區(qū)洪澇災害有所幫助。在高州水庫灌區(qū)梯級水工設施以及茂名東、西干渠工程投入運營后,2021年查帕卡臺風過境所引起的超強降雨,經各級節(jié)制閘以及干、支渠調度,減少農田受災面積超過80%。不僅于此,農業(yè)生產效率不僅與輸調水密切相關,且與地區(qū)自然環(huán)境有所關聯(lián),高州灌區(qū)各干、支渠途徑渠基土包括有松散性碎石土、粒徑較細砂土、級配不良的壤土等,這也是影響高州水庫灌區(qū)滿負荷運營的重要因素,全干渠襯砌結構無法匹配多變性的渠基土物理特征,特別是冬季較低溫度下部分土體凍脹差異,引起襯砌結構局部失穩(wěn)與滲流活躍,導致在冬季枯水期反而無法提高輸水效率。圖1為高州水庫灌區(qū)石鼓支渠全斷面示意,僅該渠道2+517～7+485渠段內,就有超過四種不同粒徑的粉質粘土,且各類型土體的滲透系數具有顯著差異。為確保高州水庫灌區(qū)干、支渠輸水能力匹配設計值,探討渠基土影響渠道襯砌結構凍脹特性很有必要。

1.2 研究方法

為確保計算結果可靠性,以石鼓支渠典型斷面襯砌結構為分析對象,且在考慮支渠梯形斷面的前提下,引入渠道凍脹彈性地基梁模型[10-11],其數學微分解如式(1)所示,而凍脹力學模型如圖2所示。

(1)

式中:y指凍脹量,單位m;EI指結構抗彎截面系數,單位Pa·m4;kf指凍脹反力,單位Pa/m;r(x)指荷載,單位N。

圖1 石鼓支渠全斷面示意

圖2 凍脹力學模型

在考慮渠基土凍脹變形與其自身物理力學參數關系的前提下,引入凍脹反力系數表述凍脹量引起的襯砌結構凍脹應力失衡現象,式(2)為凍脹反力系數與渠基面特征關聯(lián)式。

kf=βk

(2)

式中:β指工程系數,一般不超過1;k指凍脹力,單位N。

引入Winkler假設理論,聯(lián)立(1)式建立起地基彈性梁凍脹本構方程,如下式:

(3)

(4)

經數學微分方程通解運算,可獲得梯形渠面襯砌結構的凍脹量、彎矩以及凍脹應力方程解,其中凍脹量按照位移分解原則,分別為切、法向凍脹量,如下式:

(5)

式中:yn(x)、yτ(x)分別指切、法向凍脹量,單位m;H指凍土層凍結深度,單位m;m指邊坡土層系數,無量綱。

參照地基彈性梁材料力學平衡式,求解獲得了襯砌結構凍脹剪力、彎矩表達式,如下:

(6)

(7)

式中:yf(x)、Mf(x)分別指凍脹剪力與彎矩,單位分別為N、N·m;C1、C2、C3、C4均為常數。

基于上述渠道地基彈性梁襯砌結構凍脹計算理論,采用COMSOL仿真平臺開展渠道襯砌結構凍脹仿真分析,圖3為高州灌區(qū)石鼓支渠8+252渠面典型剖面,渠高度為250 cm,渠底寬度為200 cm,兩側襯砌坡板投影長度均為250 cm,所使用的襯砌結構材料均為C30防滲混凝土,泊松比為0.26,襯砌坡板與底板厚度均為30 cm,渠底下方地下水位距離為2.4 m。從石鼓支渠沿線渠基土物理力學參數分析得知,其滲透系數分布為2×10-7～1×10-4cm/s,這也是引起渠道斷面凍脹分布不均衡的內因,故本文從渠基土滲透系數的差異性出發(fā),探討各類型渠基土下襯砌結構凍脹特征變化,為干渠工程防凍脹設計提供依據。基于石鼓支渠運營實際,設定渠基土滲透系數方案分別為2×10-7cm/s、2×10-6cm/s、2×10-5cm/s、2×10-4cm/s、1×10-4cm/s,對比各方案下襯砌結構凍脹表征。

圖3 石鼓支渠8+252渠面典型剖面(單位cm)

2 渠基土特征對襯砌結構凍脹位移影響

基于不同渠基土滲透系數方案下的凍脹仿真計算,獲得了襯砌結構渠底板、渠坡板處凍脹位移變化特征,由圖4可看出,不論是渠底板或渠坡板,其凍脹位移均呈對稱式分布特征,橫斷面上兩端點處凍脹位移較為接近,峰值位移位于斷面中部,渠底板、渠坡板峰值位移分別位于斷面1.1 m、1.125 m,在渠基土滲透系數變化過程中,峰值位移斷面均未改變。當渠基土滲透系數愈大,凍脹位移愈小,在斷面0.7 m處渠基土滲透系數2×10-7cm/s方案下渠底板凍脹位移為6.48 mm,而渠基土滲透系數2×10-6cm/s、1×10-4cm/s兩方案中同斷面處凍脹位移較前者分別減少了32%、62.9%。由峰值位移對比亦可知,在渠基土滲透系數2×10-7～1×10-4cm/s方案中,分布為2.54～6.84 mm,隨渠基土滲透系數每遞增1個量級,則渠底板峰值位移平均減少了24.7%;相應的渠坡板峰值位移分布為5.45～16.42 mm,隨滲透系數梯次量級變化,其峰值位移平均降低了27.8%。另一方面,渠坡板凍脹位移高于渠底板,且隨渠基土滲透系數增大,渠坡板凍脹位移較之渠底板結構差幅愈小;渠基土滲透系數2×10-7cm/s方案中兩者差距為1.4倍,而在渠基土滲透系數2×10-5cm/s、1×10-4cm/s中分別為1.2倍、1.1倍。對比之下可知,在渠基土滲透系數變化過程中,渠底板凍脹位移受之影響敏感度弱于渠坡板,且后者凍脹危害更高于前者。

不僅如此,在渠基土滲透系數五個方案中,凍脹位移變化具有差異性特征,當渠基土滲透系數為2×10-7～2×10-5cm/s時,渠底板凍脹位移受削弱較顯著,整體斷面上凍脹位移降低明顯,峰值位移點更“尖銳”,而在渠基土滲透系數2×10-4～1×10-4cm/s時,凍脹位移差距較小,峰值位移所在斷面前、后均較平緩,凍脹位移較接近。同樣在渠坡板中亦是如此。分析認為,渠基土滲透系數不會改變凍脹位移在斷面上變化趨勢,但會影響襯砌結構凍脹位移變幅態(tài)勢,特別是在渠基土滲透系數處于較高時[5,12]。

3 渠基土特征對襯砌結構凍脹應力影響

3.1 凍脹剪力

基于地基彈性梁本構模型凍脹計算,可獲得襯砌結構凍脹剪力表現特征,如圖5。從圖中可看出,不同渠基土滲透系數方案下,渠底板、渠坡板凍脹剪力變化具有差異性。當渠基土滲透系數為2×10-7～2×10-5cm/s時,斷面上渠底板凍脹剪力成穩(wěn)定遞增態(tài)勢,渠底一側能夠達到峰值凍脹剪力;而在渠基土滲透系數為2×10-4～1×10-4cm/s時,凍脹剪力呈遞增直至穩(wěn)定狀態(tài)。相比之下,渠坡板凍脹剪力特征又有所不同,其在渠基土滲透系數為2×10-7～2×10-5cm/s時,呈“下凹”變化特征,渠坡板的兩端頭具有峰值凍脹剪力,而在斷面中部1.375m處具有谷值剪力;當渠基土滲透系數增大至2×10-4～1×10-4cm/s時,相應的渠坡板凍脹剪力具有較穩(wěn)定特征,全斷面凍脹剪力維持在穩(wěn)定水平,分別為1.18 MPa、0.81 MPa。由此可知,不同渠基土滲透系數方案下,受渠基土保水能力等物理特性差異[11,13],易引起渠道斷面襯砌結構凍脹剪力變化差異。

圖4 凍脹位移變化特征

對比渠底板、渠坡板凍脹剪力可知,在渠基土滲透系數2×10-7～2×10-5cm/s三個方案中,當斷面每遞進0.1 m時,渠底板凍脹剪力分別平均提高了9.5%、8.3%、7.1%,渠基土滲透系數愈高,不僅凍脹剪力值愈低,且凍脹剪力在斷面上變幅也愈小。同樣在渠基土滲透系數2×10-4～1×10-4cm/s兩方案中亦是如此,渠底板峰值凍脹剪力分別為1.27 MPa、1.17 MPa,在渠道斷面上變幅也以前者更顯著。在渠基土滲透系數2×10-7～2×10-5cm/s方案中,渠坡板峰值凍脹剪力依次為2.24 MPa、2.1 MPa、1.9 MPa,渠底、渠頂兩處斷面凍脹剪力具有對稱一致特點;隨渠基土滲透系數遞增,渠坡板凍脹剪力減小,且斷面上凍脹剪力表現更趨穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 凍脹剪力變化特征

3.2 凍脹彎矩

同理在凍脹力學仿真計算過程中,也可獲得襯砌底板、坡板處凍脹彎矩變化特征,如圖6。由圖中彎矩變化可知,斷面上渠底板與渠坡板的彎矩變化具有顯著差異,渠底板上彎矩呈先增后減并至穩(wěn)定,峰值彎矩位于斷面0.3 m處;渠坡板凍脹彎矩均為先增后減變化,峰值彎矩位于斷面1.25 m處。不論是渠底板或渠坡板,其凍脹彎矩均與渠基土滲透系數為負相關特征。在渠底板處,渠基土滲透系數為2×10-7cm/s時,峰值彎矩為76.6 kN·m,而渠基土滲透系數2×10-6cm/s、2×10-4cm/s、1×10-4cm/s方案下的峰值彎矩較之前者分別減少了22%、52.7%、63.3%,隨渠基土滲透系數每遞增1個量級,渠底板峰值凍脹彎矩平均下降了22.1%,且在渠基土滲透系數變化過程中,各方案間渠底板凍脹彎矩變幅較為接近,與平均降幅也一致。不可忽視,渠坡板凍脹彎矩隨渠基土滲透系數變化具有幅度差異,渠基土滲透系數2×10-7～1×10-4cm/s下渠坡板峰值彎矩分布為75.4～229.4 kN·m,隨渠基土滲透系數梯次1個量級變化,其峰值彎矩平均減少了26.8%,而在渠基土滲透系數2×10-7～2×10-5cm/s中,峰值彎矩的變幅可達52.8%,方案間平均降幅可達33.5%,即渠基土滲透系數對渠坡板彎矩影響具有不均衡性。綜合分析可知,在不同滲透系數渠基土渠段,應著重控制渠坡板防凍脹措施[12,14],避免渠坡板凍脹彎矩破壞。

圖6 凍脹彎矩變化特征

4 結語

(1)渠底板與渠坡板的凍脹位移在斷面上均為對稱分布,峰值位移分別位于渠道中部斷面1.1 m、1.125 m處;渠基土滲透系數愈大,則襯砌結構凍脹位移愈小,且不同滲透系數方案下凍脹位移變幅差異性顯著,同時渠坡板凍脹位移高于渠底板。

(2)渠底板、渠坡板凍脹剪力在渠基土滲透系數影響下具有差異性,渠基土滲透系數2×10-7～2×10-5cm/s時,渠底板、渠坡板凍脹剪力表現為一致,而在滲透系數2×10-4～1×10-4cm/s時為另一種表現特征;渠基土滲透系數愈高,剪力值愈低,且渠道斷面上變幅愈小。

(3)渠底板、渠坡板凍脹彎矩分別呈“先增后減直至穩(wěn)定”、“先增后減”;彎矩值與渠基土滲透系數均為負相關特征,隨渠基土滲透系數每遞增1個量級,渠底板、渠坡板峰值凍脹彎矩分別平均下降了22.1%、26.8%,且渠坡板彎矩在各方案間降幅具有不均衡性。