新疆玛纳斯河灌区混凝土渠道冻涨破坏机理分析

□骆 兰（新疆维吾尔自治区水利厅玛管处）

引言

随着灌区的续改建工程的深入实施，我国大部分灌区的渠道实现了混凝土防渗处理，渠系水利用系数逐年提高，多数灌区受季节气温变化影响，存在着严重的冻涨破坏现象，新疆玛纳斯河灌区由于水资源供需矛盾突出，亟须提高渠道输水效率，防冻涨破坏是防渗渠发挥防渗作用的重要保证。因此，灌区发展农业节水技术、提高渠系水利用率，就必须重视渠道冻涨破坏问题。

一、冻涨破坏原理

混凝土渠道受冻涨时，冻涨力作用于衬砌板上，衬砌板则要求变形，当变形受到约束得不到满足时，就引起应力，当应力超过混凝土的强度时，就产生破坏，故衬砌板的冻涨破坏与约束的强弱有关。结构产生变形变化时，不同结构之间和结构内部各质点之间都会产生约束，前者为“外约束”，后者为“内约束”。外约束又分为“自由体”、“全约束”和“弹性约束”。以下是对它们的定义：

（一）自由体结构(或构件)，结构的变形等于结构的自由变形，无约束变形，不产生应力。变形自由体，即变形不受其他结构任何约束的最大，应力为零。

（二）全约束

即结构的变形全部受到其他结构的约束，使变形结构无任何变形的可能，即应力最大，变形为零。

（三）弹性约束

弹性约束是介于上述两种约束状态之间的一种约束。结构的变形受到部分约束，产生部分变形，变形结构和约束结构皆为弹性体，二者之间的相互约束称为：“弹性约束”。既有变形，又有应力。

混凝土板和其下冻结土层牢牢冻结在一起。二者之间的约束属于外部约束。为了说明问题，按以下两种情况进行讨论。

二、按法向自由体板应力分析

按法向自由体板应力分析是把一块不大的混凝土板水平地搁置在含水土层上，当土层发生冻涨时，混凝土板和土层先相互冻结，含水土层在冻结过程中，自然要产生向上的冻结变形，此变形量称为冻涨量，设其冻涨为h，那么，水平搁置在其上的混凝土板也随之产生向上的变位h。因板的这一变位不受约束，是自由变位，故板内应力为零。

边坡板是有一定坡角而斜向放置的，它的法向变位应与前述的第一种情况接近，应该说从渠底开始至渠顶越向上法向变位越接近自由变位，只在坡脚处及其附近的法向变位有来自底板及底板下冻土的约束，因此只在坡脚附近边坡板内会产生法向的冻涨力，考虑到约束边坡板法向变位沿板长的范围很小，且边坡板与底板为铰接，故可忽略坡脚处边坡板的法向冻涨力，边坡板在法向可视为法向自由体，板内法向冻涨力为零。

既然板内的法向冻涨力为零，则板内的冻涨力只能是切向冻涨力，切向冻涨力决定于边坡板的切向变位，下面就讨论这个问题。

由于渠底土的含水量大于渠顶的含水量，所以，渠底的冻涨量就大于渠顶的冻涨量，设二者冻涨量之间的差值为△h，那么，对于边坡板而言，其坡脚处的冻涨量等于渠底的冻涨量，其坡顶处的冻涨量等于渠顶处的冻涨量，坡脚、坡顶处则也有冻涨量差值△h存在。若边坡板是弹性的，由几何关系，可根据冻涨量差值△h计算出边坡板AB在经过冻涨变形后其长度缩短了△L，如图1、2所示，△L可用下式计算：

边坡板在冻涨过程中要产生轴向压缩变形△L，说明作用在该板上的冻涨力必定是轴向压力，即边坡板和冻土层之间的约束力为切向力。由于混凝土边坡板属于刚性体，在切向约束力的作用下基本不产生变形，故梯形混凝土板衬砌渠道在发生冻涨时，边坡板和其下冻土层之间的切向约束应属于全约束，其变形量△L≈0，板内的压应力却很大。

图1 渠道横断面冻涨变形图

图2 边坡板冻涨变位图

三、衬砌板受力分析

当混凝土渠道发生冻涨时，衬砌板和其下的土层冻结在一起，在渠床土冻涨过程中由于含水土层的冻涨变形，将把整个渠道抬高一个高度，如图3所示。在这里我们仔细讨论一下边坡板的变位情况，首先，我们把边坡板在冻涨后发生的变位分解为平行于边坡板和垂直于边坡板的两个相互正交的变位，并分别称它们为切向变位与法向变位。我们根据变位与变位约束的关系就可以推断边坡板所承受的冻涨力。下面分别讨论边坡板的切向变位情况与法向变位情况，就可以讨论边坡板的切向冻涨力与法向冻涨力。

（一）边坡板的受力分析

当边坡板和其下土体冻结在一起时，由于坡脚、坡顶处冻涨量差值△h的存在和边坡板变形量△L=0的原因，故边坡板只能作整体顺坡向上滑移，而由于板与冻土层之间的冻结作用成为一个整体，冻土层将阻止边坡板的滑移，在二者接触的界面上就产生了阻力阻碍边坡板向上滑移，这个阻力是由于冻涨所引起的，又是作用在板的切向，故称为切向冻涨力。设单位面积的切向冻涨力为τ，纵向单位渠长边坡板下表面的剪应力合力为F，则边坡板的切向冻涨力F可用下式计算：

式中：τ为混凝土边坡板与冻土层之间的剪切应力；L为边坡板沿斜坡的长度。

把切向冻涨力F作平移处理，再考虑板的自重，那么作用在边坡板轴线上的力就是一个轴向压力N和一个力矩M，计算简图如图4所示，显然混凝土边坡板是一细长偏心受压构件。

图3 边坡板与冻涨土层之间的剪应力图

图4 边坡板的受力简图

当负温来临，板与土体冻结在一起，由于基土的切向冻涨力使板被压缩，则板对基土的作用就为拉力。当渠底与渠顶冻涨量差值增大到某一值时，板下剪力达到最大值。板下剪应力合力的最大值等于冻土层所能承受的最大拉力。板下冻结土体是受拉构件，它的抗拉能力(即它所能承受的最大拉力)为其冻结强度(T)与横断面的面积的乘积。取沿渠道长度方向为1m的冻土来计算，则有：

式中：H为冻土深度(m)；T为基土的冻结强度，冻结强度T与冻土的温度有关，当温度在–15℃以上，可用式T=C+a·t来计算，t为负温的绝对值。c、a为和土有关的系数，当基土为壤土时，c、a分别为0.5和0.12，当基土为粉质壤土时，c、a分别为0.4和0.1，当基土为重粉质壤土时，c、a分别为0.4和0.6。

（二）底板受力的分析

由于边坡板与底板间为铰接，建立边坡板受力简图以后，也不难确定底板的计算简图。作用在底板上的外力有从两侧边坡板传来的力N，N可分解为Nx和Ny，x、y为水平方向和铅垂方向，底板的自重GD和地基反力q。

设扣除板自重后的净约束力为qn，则

底板的最大弯矩Mmax按简支梁考虑，按下式计算：

底板属于压弯构件，既有压杆失稳破坏问题，又有受弯破坏问题，因为承受横向均布荷载q的底板，其中部弯矩最大，正截面上部受拉，底板中部有被拉裂的可能而发生弯曲破坏。在计算出边坡板内力之后，底板的内力可由上述公式计算得出。

（三）消除作用在边坡板上切向冻涨力的方法

混凝土渠道在冻涨过程中边坡板和冻结土体之间的切向约束属全约束，切向冻涨力就是切向约束反力。若设法解除了边坡板和冻结土层之间的约束，约束力自然就不存在了，切向冻涨力也就完全消除了。在混凝土边坡板下设置一道在负温下不冻结可滑移的隔离层，就可以有效地解除二者之间的冻结约束，以达到消除作用在边坡板上切向冻涨力的目的。

四、结语

灌区渠系水利用效率的调高是水利管理现代化和农业现代化进程的必然要求，随着西部大开发的逐步深入，更多更先进的现代化技术必将在灌区管理的方方面面得到更为广泛的应用，这是灌区整体技术提升的中间过程，也是农业现代化进程中的重要一环。在渠系规划布置中，首先要注意选用较优的渠线，但要完全避开地质条件差的地段，则难以办到，所以寒区地质条件差的渠系冻涨设计时候分必要的。

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