高寒高海拔凍土區(qū)渠道防護(hù)技術(shù)研究

王 灝

(青海九○六工程勘察設(shè)計(jì)院，青海 西寧 810001)

1 概述

高寒地區(qū)渠道內(nèi)水溫及混凝土溫度變化易引起渠道邊坡襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生錯(cuò)位、開(kāi)裂等破壞，對(duì)輸水用水造成不利的影響，因此對(duì)高寒地區(qū)的多年凍土區(qū)的渠道進(jìn)行防護(hù)就顯得尤為必要。

凍融破壞是高寒地區(qū)渠道破壞常見(jiàn)原因，徐學(xué)祖[1]等人對(duì)凍融破壞的過(guò)程和凍脹厚度等進(jìn)行了研究。Watanabe[2]等人對(duì)凍土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀(guān)測(cè)研究，對(duì)凍土微觀(guān)層面的研究進(jìn)行了補(bǔ)充。石金堂[3]、張茹[4]等人對(duì)襯砌和防滲材料的壓力進(jìn)行研究。渠道防護(hù)材料在1960年就開(kāi)始進(jìn)行研究，主要有粘土草泥襯砌、瀝青混凝土襯砌[5]、柔性膜料襯砌、土工合成材料襯砌[6]等。對(duì)于襯砌等防護(hù)結(jié)構(gòu)研究不少學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展研究[7- 8]。宋保卿[9]將混凝土襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)用弧形斷面和梯形斷面，發(fā)現(xiàn)弧形斷面的抗凍脹效果較好。馮廣志[10]對(duì)我國(guó)襯砌結(jié)構(gòu)的運(yùn)行情況進(jìn)行了總結(jié)，認(rèn)為渠道防護(hù)的規(guī)劃設(shè)置要依據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件。朱強(qiáng)[11]將凍脹強(qiáng)度分為四級(jí)，并對(duì)每級(jí)提出了不同的防凍措施。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，對(duì)高寒高海拔地區(qū)多年凍土區(qū)提出適合地區(qū)特性的新型防護(hù)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比研究。

2 工程概況

本文選取試驗(yàn)地區(qū)位于高海拔地帶，該地區(qū)常年寒冷。在渠道內(nèi)的表層附近一定深度的泥土處于多年凍土狀態(tài)，其中最嚴(yán)重區(qū)域?yàn)楹暗鸵合拚惩脸Ｄ晏幱趦雒洜顟B(tài)，部分還具有弱膨脹性。渠道主要是由含細(xì)粒土細(xì)砂、高液限粘土、粉土質(zhì)細(xì)砂等組成，具有弱透水性。渠道邊坡開(kāi)挖小于5m屬于一般性開(kāi)挖渠道，渠道內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)為混凝土或漿砌石等剛性結(jié)構(gòu)，粗糙系數(shù)小，防滲性較好，但是抗拉能力弱，極易產(chǎn)生裂縫，隨著凍脹次數(shù)的增加易發(fā)生破壞。

3 試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.1 相似比尺

土質(zhì)邊坡試驗(yàn)相似準(zhǔn)則為：

(1)

(2)

式中，c—相似常數(shù)；A—導(dǎo)溫系數(shù)；Λ—導(dǎo)熱系數(shù)；T—溫度；Q—單位體積水的潛熱；Τ—時(shí)間；L—幾何尺寸。

試驗(yàn)采用的各模型比尺見(jiàn)表1。

3.2 試驗(yàn)材料布置

基于上述相似準(zhǔn)則對(duì)三種工況下的試驗(yàn)方案進(jìn)行溫度場(chǎng)和凍脹變形量進(jìn)行試驗(yàn)研究。模型試驗(yàn)箱如圖1所示，其中長(zhǎng)為4.5m、高為1.5m、寬為3.0m，雙向溫度控制。模型箱有補(bǔ)水和加熱裝置，從下到上依次為：加熱層、砂墊層、補(bǔ)水層、缸蓋層等。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅瘸?/p>

圖1 模型試驗(yàn)箱

襯砌結(jié)構(gòu)的選擇要依據(jù)本地破壞的原因，根據(jù)設(shè)計(jì)原則結(jié)合地質(zhì)勘查結(jié)果選擇雷諾護(hù)墊、混凝土鉸接塊、以及混凝土板與保溫板組成復(fù)合型防護(hù)板三種形式進(jìn)行試驗(yàn)研究。

混凝土鉸接塊的規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×高=0.45m×0.44m×0.15m，相互之間通過(guò)柔性鋼絞線(xiàn)進(jìn)行連接，使其成為柔性結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)渠道的不均勻變形。混凝土采用C30、二次配，控制養(yǎng)護(hù)的時(shí)間和質(zhì)量。混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，在渠道內(nèi)的布置形式如圖3所示。

圖2 混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 混凝土鉸接塊在渠道內(nèi)布置圖

雷諾護(hù)墊是由六邊形金屬網(wǎng)構(gòu)成石籠護(hù)墊，在護(hù)墊中填充石塊可用于岸坡、路基邊坡的防護(hù)，具有透水性好、緩解變形、降低揚(yáng)壓力、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。本文選取的規(guī)格為：長(zhǎng)×寬×高為6m×2m×0.23m，選取鋼絲為鍍鋁合金鋼絲，網(wǎng)格內(nèi)部采用河卵石進(jìn)行填充。雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)如圖4所示，其在渠道內(nèi)的布置形式如圖5所示。

圖4 雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)圖

圖5 雷諾護(hù)墊在渠道內(nèi)布置圖

混凝土板是常見(jiàn)的襯砌材料，具有良好的防滲功能，但是保溫效果較差，將其與保溫板將結(jié)合可以很好的實(shí)現(xiàn)防凍效果。本文選取0.1mEPS保溫板和混凝土板相結(jié)合組成復(fù)合型防護(hù)結(jié)構(gòu)，其在渠道內(nèi)的布置形式如圖6所示。

圖6 復(fù)合型防護(hù)板在渠道內(nèi)布置圖

3.3 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及步驟

根據(jù)當(dāng)?shù)販囟茸兓?，將氣溫變化過(guò)程分為快速降溫過(guò)程、低溫穩(wěn)定階段、升溫階段、高溫穩(wěn)定階段，每年中低溫穩(wěn)定階段持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)。

在進(jìn)行試驗(yàn)前對(duì)模型箱、加熱器、壓縮機(jī)等每個(gè)部位進(jìn)行檢查及對(duì)應(yīng)的試運(yùn)行，并對(duì)所需要的材料進(jìn)行準(zhǔn)備。

(1)試驗(yàn)選取土料為在溫室條件下自然風(fēng)干，試驗(yàn)用土初始含水量使用多組進(jìn)行平均確定，配水量根據(jù)初始含水量和土的質(zhì)量來(lái)共同確定，將試驗(yàn)用土和對(duì)應(yīng)的水?dāng)嚢杈鶆颉?/p>

(2)根據(jù)試驗(yàn)相關(guān)要求使用碎石進(jìn)行填充。

(3)儀器在使用前均進(jìn)行校準(zhǔn)，保證試驗(yàn)的精度需求。

4 結(jié)果分析

4.1 溫度場(chǎng)分析

對(duì)混凝土鉸接塊、雷諾護(hù)墊和混凝土板與保溫結(jié)合的復(fù)合型防護(hù)板三種襯砌作用下的土體凍害情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出三種工況下不同埋深土體的溫度變化過(guò)程，如圖7所示。

圖7 渠坡處不同工況土體溫度變化曲線(xiàn)

由圖7可知，設(shè)置三種防護(hù)結(jié)構(gòu)后渠道表面的溫度均比正常環(huán)境溫度要高，說(shuō)明防護(hù)結(jié)構(gòu)均取得了一定的效果，但是三者取得效果有所不同。從整體上分析，復(fù)合型防護(hù)板結(jié)構(gòu)作用下土體溫度普遍高于其他兩種防護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)各層土體進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)比混凝土鉸接塊和雷諾護(hù)墊平均高分別為1.87℃、0.65℃。這是因?yàn)閺?fù)合型防護(hù)板采用保溫板可以對(duì)下面的土體起到很好的保溫作用。

對(duì)溫度曲線(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)在低溫穩(wěn)定期時(shí)，溫度分界線(xiàn)在15cm和20cm之間，混凝土鉸接塊布置時(shí)在20cm時(shí)的土體部分處于零度以下、雷諾護(hù)墊布置時(shí)在15cm處的土體溫度就已經(jīng)出現(xiàn)了零度以下、復(fù)合型防護(hù)板20cm處的土體大部分還處在零度以上。

在降溫階段混凝土鉸接塊、雷諾護(hù)墊、復(fù)合型防護(hù)板三種防護(hù)結(jié)構(gòu)的溫度降低速率分別為6.75、7.55、6.65℃/h。雷諾護(hù)墊的溫度降低最明顯。這是因?yàn)槔字Z護(hù)墊為開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，里面為河卵石，孔隙率較大當(dāng)溫度降低時(shí)襯砌下面土體的溫度高于外面大氣溫度形成對(duì)流，造成外界的冷空氣不斷的進(jìn)入到襯砌中，從而導(dǎo)致雷諾護(hù)墊下土體溫度下降的速度較快。

對(duì)三種防護(hù)襯砌下土體的凍結(jié)深度發(fā)展過(guò)程進(jìn)行分析如圖8所示。

圖8 不同襯砌下土體凍結(jié)深度發(fā)展過(guò)程線(xiàn)

根據(jù)圖8可知，三種防護(hù)裝置下土體的凍結(jié)深度曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本一致。雷諾護(hù)墊襯砌下土體凍結(jié)深度最大，為33.74cm，最大凍結(jié)深度出現(xiàn)的時(shí)間最晚，為205h。混凝土鉸接塊的凍結(jié)深度深度和時(shí)間均處于兩者之間，最大凍結(jié)深度和經(jīng)歷時(shí)間分別為27.5cm、198h。復(fù)合型防護(hù)板的最大凍結(jié)深度最小，數(shù)值為24.1cm，歷時(shí)最短，出現(xiàn)在168h時(shí)。雖然復(fù)合型防護(hù)板襯砌下土體的最大凍結(jié)深度出現(xiàn)的時(shí)間最短，但是在相同時(shí)間內(nèi)其他襯砌結(jié)構(gòu)的凍結(jié)深度更大。

4.2 凍脹融沉

對(duì)三種襯砌結(jié)構(gòu)下的凍脹和融沉變化過(guò)程進(jìn)行研究，不同工況渠道斷面位移變化過(guò)程如圖9所示。

圖9 不同襯砌渠道斷面位移變化曲線(xiàn)

根據(jù)圖9可知，三種襯砌結(jié)構(gòu)下土體均發(fā)生了凍脹和融沉過(guò)程，且變化過(guò)程基本同步，在數(shù)值上有所區(qū)別。混凝土鉸接塊、雷諾護(hù)墊、復(fù)合型防護(hù)板三種襯砌結(jié)構(gòu)下的土體凍脹量分別為39.1、41.6、16.0mm；凍脹速度分別為0.10、0.16、0.06mm/h；殘余變形分別為5.7、7.3、2.2mm。最大值均出現(xiàn)在雷諾護(hù)墊襯砌時(shí)，最小值均出現(xiàn)在復(fù)合型防護(hù)板襯砌時(shí)。

5 結(jié)論

本文對(duì)渠道采用混凝土鉸接、雷諾護(hù)墊和混凝土板和保溫板結(jié)合組成復(fù)合型防護(hù)板三種襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)的溫度和凍脹過(guò)程進(jìn)行分析，得出結(jié)論：

(1)混凝土鉸接、雷諾護(hù)墊和混凝土板和保溫板結(jié)合組成的復(fù)合型防護(hù)板三種襯砌結(jié)構(gòu)下土體溫度降低速率分別為6.75、7.55、6.65℃/h；復(fù)合型防護(hù)板襯砌結(jié)構(gòu)下的土體溫度最高。

(2)雷諾護(hù)墊襯砌作用時(shí)最大凍結(jié)深度最大，為33.74cm，復(fù)合型防護(hù)板襯砌作用時(shí)最大凍結(jié)深度最小，為24.1cm。

(3)凍脹量最大值出現(xiàn)在雷諾護(hù)墊襯砌作用時(shí)，為39.1cm，最小值出現(xiàn)在復(fù)合型防護(hù)板襯砌作用時(shí)，為16.0mm。

(4)從襯砌下土體溫度、最大凍結(jié)深度、凍脹量和殘余變形綜合分析認(rèn)為混凝土板和保溫板結(jié)合組成的復(fù)合型防護(hù)板為最佳防護(hù)結(jié)構(gòu)。