U形渠道凍脹監(jiān)測試驗(yàn)研究

魏 超

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 試驗(yàn)區(qū)域的選擇

選取北方位于洪積與沖洪積平原交匯區(qū)域的整體式U型渠道——新疆溫宿縣灌區(qū)農(nóng)田水利基本建設(shè)項(xiàng)目U型砼板防滲渠道為觀測渠道，溫宿縣地處新疆西部塔里木盆地以北，呈典型大陸性干旱氣候。該渠道全長13.5 m，襯砌結(jié)構(gòu)為整體式襯砌，試驗(yàn)段渠基土測試結(jié)果表明，土壤中直徑在0.1 mm～0.5 mm的顆粒在總含量中占比85.4%，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999）可以判定區(qū)域土壤為級(jí)配不良級(jí)細(xì)砂。渠道所在區(qū)域主要表現(xiàn)為泄湖相沉積，水質(zhì)條件不良，地下水平均埋深1.6 m，水礦化度較高。新疆溫宿縣灌區(qū)農(nóng)田水利基本建設(shè)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)年平均氣溫7.9℃，1月～2月為最冷時(shí)段，該時(shí)段內(nèi)平均氣溫為-7.8℃，極端最低溫度為-24.9℃，日照時(shí)間長，農(nóng)業(yè)發(fā)展主要以人為灌溉方式為主，灌溉用水包括地表水和地下水。試驗(yàn)觀測時(shí)間定為2018年11月1日～2019年2月29日。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)在模擬整體式U型混凝土渠道凍脹過程并對(duì)渠道不同部位渠基土凍脹量、地溫、凍脹力等進(jìn)行觀測和數(shù)據(jù)采集。

U型混凝土渠道凍脹的監(jiān)測與試驗(yàn)所需觀測儀器主要有凍脹計(jì)、水準(zhǔn)儀、數(shù)字萬用表、壓力盒等。U型渠道凍脹監(jiān)測試驗(yàn)中地溫與凍深主要布置于襯砌段的中部，而凍脹監(jiān)測布置于渠底，并在試驗(yàn)渠段兩端固定錨桿，以預(yù)期凍脹量配置為依據(jù)設(shè)置鋼絲，并確保鋼絲始終處于拉直狀態(tài)，與襯砌板平行放置，以控制鋼絲變形引起的試驗(yàn)誤差，依靠錨桿與鋼絲的配置完成凍脹監(jiān)測，從而控制因鋼絲變形所導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差[1]。凍脹監(jiān)測試驗(yàn)過程中，在渠基土和襯砌板接觸面防止壓力盒，并確保壓力盒受壓面與襯砌板背向平行，不同結(jié)構(gòu)下觀測橫斷面壓力盒分布數(shù)量應(yīng)為3個(gè)～5個(gè)，凍脹計(jì)及土壓力盒參數(shù)取值見表1。

圖1 U型渠道地溫與凍深觀測設(shè)計(jì)

表1 傳感器參數(shù)

2.2 地溫監(jiān)測

U型渠道渠系土地溫監(jiān)測采用數(shù)字萬用表和熱敏電阻，將熱敏電阻分別埋設(shè)于渠道底部、陰坡陽坡坡腳及坡板以上15 cm處。具體埋設(shè)過程中，從埋深深度最大處開始，通過取土鉆土方式順次進(jìn)行熱敏電阻在不同深度土體內(nèi)的埋設(shè)，完畢后填土夯實(shí)。

2.3 凍深監(jiān)測

U型渠道凍深監(jiān)測試驗(yàn)主要使用凍土器，外管和內(nèi)管是其中主要的測量配件，根據(jù)裝水內(nèi)管埋設(shè)后水的凍結(jié)長度進(jìn)行凍深測量值的確定。凍土器埋設(shè)方式與壓力盒相同，而且凍土器埋設(shè)必須在渠基土凍結(jié)前完成。采用鋼絲法進(jìn)行U型渠道凍脹量的測量與監(jiān)測，先確定試驗(yàn)渠段基標(biāo)準(zhǔn)定位測點(diǎn)（圖2），設(shè)定好錨桿后刻槽，再固定好監(jiān)測用鋼絲，使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行鋼絲和測點(diǎn)間垂直距離的測量以確定不同結(jié)構(gòu)U型渠道凍脹量。

U型渠道凍脹應(yīng)力測量主要通過壓力盒完成，在本次試驗(yàn)凍脹應(yīng)力觀測方案下，應(yīng)在U型渠道底部、陰坡和陽坡坡板與弧板接合處設(shè)置壓力盒，并與襯砌板保持平行，埋設(shè)深度距坡面15 cm，并在埋設(shè)過程中盡量減少對(duì)原狀土的擾動(dòng)與破壞。

圖2 整體式U型渠道凍脹觀測布置

3 試驗(yàn)觀測及數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)開始后，每間隔30 min進(jìn)行一次渠基土凍脹量、土壓力盒及渠基土內(nèi)溫度感應(yīng)器數(shù)據(jù)的采集與記錄。

3.1 凍脹量

采用千分位游標(biāo)卡尺、水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀進(jìn)行U型渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹變形程度的測定，具體而言，先在渠道外側(cè)4.5 m處設(shè)置2.0 m深的永久性高程基準(zhǔn)點(diǎn)，用混凝土澆筑后做好標(biāo)記，并用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀進(jìn)行凍脹量測量以及渠頂渠底水平位移、垂直位移的測量，為消除基準(zhǔn)點(diǎn)基土凍脹變化對(duì)觀測項(xiàng)目的影響，全部測點(diǎn)高程均應(yīng)以該基準(zhǔn)點(diǎn)為基礎(chǔ)。采用機(jī)械百分表進(jìn)行渠底垂直位移的測定，為進(jìn)行縱向觀測，應(yīng)先預(yù)埋固定錨桿，再通過鋼絲測量法進(jìn)行縱向凍脹量測量，觀測數(shù)據(jù)精度高達(dá)0.1 mm。在各觀測斷面固定錨桿頂端4.5 cm處與混凝土板平行的位置按3 mm直徑尺寸打孔，在各固定錨桿用細(xì)鋼絲穿孔，鋼絲另一端與彈簧綁扎，確保鋼絲位置的固定，且與混凝土面板構(gòu)成平行斷面。各測點(diǎn)至鋼絲的垂直距離用分度1 mm的游標(biāo)卡尺測量，測得的數(shù)值就是各測點(diǎn)混凝土板凍脹變位值。

圖3 陽坡渠道凍脹量監(jiān)測結(jié)果

圖4 陰坡渠道凍脹量監(jiān)測結(jié)果

由圖3可知，2018年11月8日U型混凝土渠道陽坡直段渠基土開始出現(xiàn)初始凍脹位移，從2018年11月8日～2019年2月29日共持續(xù)112 d，其中凍脹位移＞1 mm的天數(shù)為36 d，最大凍脹位移量1.17 mm出現(xiàn)在2019年1月12日；陽坡弧段渠基土初始凍脹位移出現(xiàn)在2018年11月11日，凍脹位移持續(xù)天數(shù)113 d，最大凍脹位移量1.01 mm出現(xiàn)在2019年1月20日。總體而言，弧段處渠基土凍脹位移量比直段處大，但在凍結(jié)初期，弧段處渠基土凍脹量與直段處相差并不大，究其原因，主要是因?yàn)閮鼋Y(jié)初期渠基土溫度始終在0℃左右變動(dòng)，渠基土凍脹情況并不穩(wěn)定。

由圖4可知，U型渠道陰坡直段渠基土初始凍脹位移開始出現(xiàn)在2018年11月4日，持續(xù)時(shí)間為112 d，凍脹位移量＞1 mm的天數(shù)為47 d，最大凍脹量1.39 mm出現(xiàn)在2018年12月19日；陰坡弧段渠基土初始凍脹位移同樣出現(xiàn)在2018年11月4日，凍脹位移持續(xù)天數(shù)114 d，最大凍脹位移量1.16 mm出現(xiàn)在2018年12月27日。結(jié)合圖3和圖4可知，與陽坡渠基土相比，陰坡渠基土受太陽照射少，凍脹量明顯比陽坡渠基土凍脹量大。

陰坡弧段渠基土平均凍脹量最大，陽坡弧段出渠基土平均凍脹量次之，陰坡直段處渠基土平均凍脹量再次之，陽坡直段渠基土平均凍脹量最小，渠基土溫度和凍脹量存在直接聯(lián)系，整體上看，溫度降低導(dǎo)致渠基土凍脹量升高[2]。

表2 渠基土地溫情況統(tǒng)計(jì)

3.2 地溫

渠基土溫度變化對(duì)U型渠道凍脹量也存在一定程度影響，隨渠基土地溫的降低，凍脹量隨之增加。本次試驗(yàn)在陰坡和陽坡兩側(cè)渠道軸線對(duì)稱安裝凍脹儀，陰坡渠基土整體溫度低于陽坡（表2），陰坡渠基土凍脹量也整體大于陽坡。就同一坡面而言，渠道直段地溫高于弧段，直段凍脹量小于弧段。渠基土溫度最低值和凍脹量最大值均出現(xiàn)在11月中旬～次年1月底這一區(qū)間。

4 結(jié)論

渠道是農(nóng)田灌溉系統(tǒng)基本構(gòu)成單元，在農(nóng)田灌溉中發(fā)揮著重要作用，渠道使用效率能否順利發(fā)揮關(guān)系到灌溉質(zhì)量的高低。在我國，受不利氣候條件等的影響，部分地區(qū)灌溉渠道會(huì)出現(xiàn)凍脹破壞現(xiàn)象，影響到渠道系統(tǒng)使用效率的正常發(fā)揮。文章選取具體渠道進(jìn)行凍脹情況監(jiān)測，并進(jìn)行了整體式U型渠道凍脹情況變化及影響因素的對(duì)比分析，旨在為整體式U型混凝土渠道凍脹破壞的預(yù)防與處理提供參考。