汾河灌區(qū)現(xiàn)澆混凝土渠道襯砌凍脹試驗(yàn)研究

王 婧

（山西省汾河灌溉管理局，山西 祁縣 030900）

1 基本情況

汾河灌區(qū)渠道防滲凍脹試驗(yàn)段位于太原市晉源區(qū)野莊村東，樁號(hào)為汾河一壩西干渠42+958.9～43+008.9，渠道為東西走向，斷面型式為弧形坡角梯形斷面，設(shè)計(jì)流量4.75 m3/s，坡角弧度半徑3.0 m，渠深2.2 m，渠底寬 2.0 m，邊坡 1：1.25，渠道縱比降1/3 039，屬半挖半填渠道。試驗(yàn)區(qū)地處大陸性季風(fēng)帶，年平均氣溫10℃，最高氣溫39.4℃，最低氣溫-25℃。多年來(lái)，汾河灌區(qū)實(shí)施錯(cuò)峰供水機(jī)制，下游局部地區(qū)采取冬季蓄水灌溉模式，此次試驗(yàn)渠段屬上游主要輸水渠道，冬季承擔(dān)渠道過(guò)水任務(wù)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)型式

通過(guò)普查渠道防滲凍脹破壞現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)前灌區(qū)水利工程施工技術(shù)水平，渠道襯砌結(jié)構(gòu)貫徹“輕、薄、巧”的原則，避免“重墩、厚墻、深基礎(chǔ)”和大方量非凍性材料置換等工程措施。試驗(yàn)段防滲為現(xiàn)澆混凝土板加土工膜的弧形坡角梯形斷面襯砌結(jié)構(gòu)（如圖1），渠道橫斷面凍脹應(yīng)力分布較為均勻，襯砌層適應(yīng)較大的凍脹力和凍融沉降變位，具體型式為：全斷面鋪設(shè)土工膜作為防滲層，剛性防滲襯砌層采用現(xiàn)澆C20混凝土，內(nèi)襯0.2 m×0.2 m的8號(hào)鉛絲網(wǎng)，底部坡角弧度半徑3 m，每5 m設(shè)伸縮縫填充瀝青砂漿。

2.2 觀測(cè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

襯砌層渠基產(chǎn)生凍脹主要基于土壤水分、土質(zhì)、氣溫等因素綜合作用，觀測(cè)項(xiàng)目包括氣溫、地溫、土壤含水率、土壤顆粒組成、襯砌層位移等，試驗(yàn)期間每?jī)芍苓M(jìn)行一次原形觀測(cè)。氣溫觀測(cè)包括觀測(cè)日最高、最低、平均氣溫；渠基地溫由數(shù)字萬(wàn)用表和預(yù)埋熱敏電阻觀測(cè)，埋深分別為 0.2 m，0.4 m，0.6 m，0.9 m，1.2 m。渠道襯砌層位移采用固定標(biāo)點(diǎn)法，分別在渠底中心、坡角弧度中心、1/3設(shè)計(jì)水位點(diǎn)、2/3設(shè)計(jì)水位點(diǎn)、設(shè)計(jì)水位點(diǎn)及渠道超高保護(hù)中點(diǎn)埋設(shè)6處觀測(cè)點(diǎn)，其中點(diǎn)位與地溫量測(cè)點(diǎn)同位等高，由經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀分別量測(cè)其垂直和水平位移量經(jīng)矢量合成表征渠坡徑向位移。土壤含水率測(cè)定采用常規(guī)取土鉆取土，烘干法測(cè)定。渠道斷面型式和測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況如圖1。

3 原形觀測(cè)結(jié)果分析

3.1 觀測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)歷時(shí)141 d（2008年11月8日—2009年3月28日）完整凍融周期的原形觀測(cè)，期間最低氣溫為1月17日的-12.2℃，最高氣溫為3月28日的17.2℃，觀測(cè)年份具有代表性。渠道典型斷面渠底Ⅰ點(diǎn)地溫的最小值-11.14℃，渠道襯砌變形最大為Ⅴ點(diǎn)12.7 cm，觀測(cè)期渠基土重量含水率16.2%～24.5%，凍融變形后發(fā)現(xiàn)防滲襯砌層出現(xiàn)裂縫。

3.2 試驗(yàn)場(chǎng)氣溫分析

氣溫是渠基凍結(jié)的重要影響因素，試驗(yàn)區(qū)氣溫受太陽(yáng)輻射影響，總體呈波動(dòng)式變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖2），12月19日開(kāi)始日平均氣溫穩(wěn)定在0℃以下，1月中旬氣溫在0℃附近波動(dòng)；之后隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，氣溫回升較快，2月3日以后氣溫穩(wěn)定在0℃以上。日負(fù)積溫度波動(dòng)程度強(qiáng)于氣溫，1月5日為觀測(cè)期負(fù)積溫度最低值，之后隨氣溫同步快速回升。

3.3 渠基凍深時(shí)空分布

根據(jù)地溫統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到渠基土凍深過(guò)程變化線（見(jiàn)圖3），渠基土凍結(jié)發(fā)生在11月中旬，渠基土達(dá)到凍結(jié)含水率時(shí)由松散狀態(tài)凍結(jié)為質(zhì)密凍土。由于基土不同高度的水分和土質(zhì)條件的差異性，各測(cè)點(diǎn)凍深變化過(guò)程不同。從觀測(cè)時(shí)間分析，12月8日以前試驗(yàn)段渠道冬灌行水，水位線以下Ⅰ點(diǎn)至Ⅳ點(diǎn)渠基直至12月7日并未發(fā)生凍結(jié)，水位線以上Ⅴ點(diǎn)至Ⅵ點(diǎn)從11月14日開(kāi)始凍結(jié)，但由于土壤含水率和氣溫等條件局限，凍結(jié)深度發(fā)展至11月18日趨于穩(wěn)定。隨著基土負(fù)積溫度的急劇攀升，在溫度梯度的作用下，12月7日開(kāi)始凍土層深度隨時(shí)間的延續(xù)而累積增長(zhǎng)，凍土層推進(jìn)程度較1月5日基土負(fù)積極值溫度具有滯后性，1月17日渠基凍深趨于穩(wěn)定，并略有回緩。2月21日左右受日照輻射和氣溫回升影響，各觀測(cè)點(diǎn)渠基土凍結(jié)層相繼融解，其中Ⅰ點(diǎn)處最先開(kāi)始融解，隨后Ⅱ～Ⅵ點(diǎn)凍深逐漸減小至零，截至3月28日渠基凍融過(guò)程結(jié)束。

3.4 防滲襯砌層凍脹融沉分析

在冷凝水作用下，渠道剛性襯砌層與其下凍土層凍結(jié)為整體互相約束，冰結(jié)緣與未凍基土之間抗剪強(qiáng)度相對(duì)降低，形成抗剪薄弱面，使襯砌層作為受壓、受拉或受彎構(gòu)件，作用力主要表現(xiàn)為切向凍脹力和法向凍脹力。試驗(yàn)過(guò)程12月8日前冬灌行水，停水后基土處于高含水狀態(tài)，基土溫度驟降導(dǎo)致土體凍脹和冷鋒面的變化。渠道襯砌層整體沿薄弱面滑移，表面發(fā)生剝蝕和裂縫現(xiàn)象（見(jiàn)圖4）。其中襯砌層Ⅰ點(diǎn)隆起變形，Ⅱ～Ⅵ點(diǎn)沿渠坡滑塌，在12月8日達(dá)到峰值。之后在溫度梯度作用下不斷將未凍結(jié)區(qū)域水分遷移到冰凝層，使基土凍結(jié)緣越來(lái)越厚。隨著凍結(jié)峰的推進(jìn)，渠堤Ⅲ～Ⅵ點(diǎn)渠堤部位克服渠道襯砌自身重力產(chǎn)生切向拉力，沿抗剪薄弱面向上滑動(dòng)，1月7日渠道襯砌基本復(fù)位，隨著凍結(jié)慣性拉力持續(xù)作用，局部渠段沿襯砌結(jié)構(gòu)受力薄弱處產(chǎn)生裂縫，2月6日達(dá)到正向位移量峰值。之后溫度逐漸回升，基土與渠道襯砌層凍脹約束解除，3月8日后在自重作用下渠道襯砌向下滑塌，產(chǎn)生一定的負(fù)向位移。

4 結(jié)語(yǔ)

第一，渠道襯砌凍脹破壞最顯著階段發(fā)生在停水初期，因此渠道冬季使用情況對(duì)襯砌層凍脹破壞具有重要影響，今后應(yīng)對(duì)冬季渠道運(yùn)行管理進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐，探索適合當(dāng)?shù)厍闆r的行之有效的調(diào)節(jié)運(yùn)行方案和管理經(jīng)驗(yàn)。

第二，根據(jù)渠道襯砌變形復(fù)位情況，試驗(yàn)段渠道襯砌邊坡中下部采用反拱結(jié)構(gòu)、襯砌層適度加筋，對(duì)提高工程耐久性具有技術(shù)可行性。此外，凍結(jié)期渠堤含水率較高時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮設(shè)置排水溝、反濾體及透水土工織物，這樣有利于透水排水，降低渠堤浸潤(rùn)線，消納部分對(duì)襯砌體作用的凍脹力，減輕襯砌層凍害。

第三，試驗(yàn)段采用剛性襯砌層加土工薄膜結(jié)構(gòu)型式，防滲作用顯著，但對(duì)基層土保溫作用并不明顯，局部重要渠段應(yīng)考慮適當(dāng)應(yīng)用聚苯板等輔助保溫材料。

文中僅對(duì)一壩西干渠局部渠道進(jìn)行原型試驗(yàn)，而不同灌域的氣溫、地下水位動(dòng)態(tài)、渠床土質(zhì)、渠線走向及管理運(yùn)行條件均不同，所以今后應(yīng)加強(qiáng)不同渠道防滲凍脹試驗(yàn)研究，進(jìn)行系統(tǒng)歸納總結(jié)。