U形混凝土渠道冻胀监测试验研究

谢 锐，王志军

(江西省水利投资集团有限公司，南昌 330000)

1 混凝土渠道冻胀破坏的主要影响因素

1.1 渠基土质

渠基土质情况主要由土体中颗粒粒度组成、矿物成分与土体密度决定，而这些因素相组合也就决定了该地土体的冻胀强度。通常来说，某地土体颗粒粒径越小，土体发生冻胀的几率越高。此外，土体中的矿物成分与组成将直接影响土体的性质及其导热系数，而土体的导热系数的高低将直接影响土体的冻胀，一般导热系数越大，土体冻胀破坏越严重。

1.2 渠道端面衬砌形式

在发生冻胀破坏时，不同的衬砌形式将会出现不同的冻胀破坏程度。这是由于衬砌形式的差异将导致渠道衬砌的受力结构与大小存在差异，在相同外力的作用下，之于不同的衬砌形式的渠道，其内力存在较大的差异。

1.3 渠道走向

根据对各地、各走向的渠道的考察可以发现，渠道走向的差异也在很大程度上影响渠道的冻胀破坏程度。渠道走向的不同，在长期内将会影响渠道端面在阳光照射、风力、风向、地下水流向等诸多外部环境因素，这些因素的不同将影响渠基土的温度、含水量等一些方面，当冻胀破坏发生时，这些因素的差异将会造成渠道破坏程度的不同。

2 U型混凝土渠道冻胀监测试验

2.1 U型混凝土冻胀监测试验区域概况

2.1.1 地理位置及环境条件

试验选取地区位于宁夏平罗县境内，地处银川平原北部，属洪积与冲积平原的交汇地带，地势平坦，平均海拔11.9m，地层沉积主要为泻湖相沉积，这对该地区的水质条件影响较大。地下水的埋深范围在1.5m左右，水矿化度偏高。据相关统计数据显示，这一地区年平均气温为8.2摄氏度，日照充足，日照时间相对较长，农业发展大多依赖人为灌溉为主。这一地区用于灌溉的水资源主要包括地表水、地下水与黄河过境水。

2.1.2 水利工程概况

试验所在地区的水源供给主要由八一支渠提供，总体共有14条斗渠经八一支渠取水，其中，土渠为主要类型，少部分拥有完好砌护。由于相关的灌水基础设施缺乏系统性与完整性，因而在使用过程中灌水难度较大。在对末级渠道的进一步勘察过程中，可以发现这一地区大部分渠道的砌护措施均处于缺失状态，因而在灌水过程中渗漏现象普遍存在，有些渗漏导致灌水率大幅降低。此外，在这一地区，灌溉方式主要采用大漫灌的形式，综合以上因素，试验地区的水资源浪费现象较为严重。

2.2 U型混凝土渠道冻胀监测试验主要研究内容

根据衬砌结构形式的差异，将试验分为整体式U型混凝土渠道、两拼式U型混凝土渠道与多拼式U型混凝土渠道三种结构进行，监测外部环境(气温、地温等)、衬砌结构冻胀量、法向冻胀力等指标，对不同结构下的渠道冻胀进行监测，就监测的相应数据进行整理与分析，探究不同结构、不同参数下的渠道冻胀规律，分析U型混凝土渠道冻胀破坏的原因及其特征。

2.3 试验方案及观测方法

进行U型混凝土渠道冻胀监测试验的过程中，按照结构的不同分为三组分别进行试验，试验主要观测仪器包括数字万用表、冻土器、水准仪与压力盒。在不同结构的U型混凝土渠道冻胀监测试验中，地温和冻深的位置布置主要在各衬砌段的中间部分，冻深的监测则在渠底，冻胀监测的观测主要依赖于锚杆与钢丝的配置，将试验渠段两端固定上锚杆，并根据语气冻胀量配置相应的钢丝，钢丝放置时应当与混凝土衬砌板始终保持平行，同时，钢丝应当尽可能保证拉直的状态，如此旨在减少由于钢丝变形导致的试验误差。试验中压力盒置于渠基土与衬砌结构的接触面，受压面背向于衬砌结构，并与其保持平行，压力盒分布的数量不宜过少，不同结构下的观测横断面应当布置三至五个为宜。

(a)整体式U型渠道

(b)两拼式U型渠道

(c)多拼式U型渠道

3种结构的U型渠道的地温与冻深监测分布大体如图1所示。地温的监测主要依赖于数字万用表与热敏电阻两种仪器，将热敏电阻埋于U型渠底，在阴阳坡坡脚及其坡板上部20cm左右处均安置相应的热敏电阻，在埋设过程中，自埋深深度最大处依次进行热敏电阻埋设，根据不同的埋深深度运用取土钻土的方法将热敏电阻埋于不同深度的土体中以备监测，埋设完毕后填土夯实。对U型混凝土冻深的监测则主要冻土器，冻土器的主要测量配件是外管与内管，冻深的测量则是对内管内的水在埋设后的冻结长度而确定。通常来说，冻土器的埋设位置与压力盒相似，冻土器埋设的时间应尽量在渠基土冻结之前。

图2 U型渠道冻胀量观测方案示意图

在不同结构的U型渠道冻胀量检测中，均采用钢丝法进行冻胀量的测量。如图2所示，在确定试验渠段后，首先确定标准定位测点，并将锚杆设定好并刻槽，再将用于监测的钢丝固定好，最终的冻胀量测定则是由游标卡尺对钢丝与测点之间的垂直距离进行测量，其结果即为不同结构的U型渠道冻胀量。

(a)整体式U型渠道

(b)两拼式U型渠道

(c)多拼式U型渠道

测量不同结构的U型渠道的冻胀应力的主要仪器为压力盒，如图3所示，不同结构下的冻胀应力的观测方案略有不同。压力盒主要埋设于U型渠道的底部和阴阳面坡板与弧板的交界处，压力盒的埋设应当注意将压力盒与衬砌板保持平行，压力盒埋设深度应当与坡面保持大约10cm的距离，同时，埋设过程不免造成对原状土的干扰与破坏，但应尽量减少这一干扰与破坏，在埋设后应当尽量将土层恢复原状。相对而言，整体式U型渠道的观测截面尺寸较小，因此，压力盒的分布只需3个即可；而两拼式与三拼式U型渠道的观测面尺寸相对较大，因此，压力盒的设置数量应当为5个。三者压力盒的埋设方法基本一致。

2.4 试验观测数据及分析

2.4.1 冻胀量

试验过程中对整体式、两拼式与三拼式U型渠道在不同时间、不同位置的冻胀量监测结果数据加以记录，并就不同结构下的其变化趋势加以分析，可以看出，整体式U型混凝土渠道的整体变化量较为平缓，冻胀量变化最为显著的不稳在于坡脚处，随着时间的推移，冻胀量变化与日期有着某种相关关系。在纵向冻胀量变化数据及趋势中可以看出，整体式U型混凝土渠道阴阳坡脚处的冻胀量变化相对较为剧烈，其冻胀量变化峰值基本在二月中旬达到，与横向冻胀量峰值到达时间基本保持一致。

分析对比整体式U型渠道与两拼式U型渠道的冻胀量变化数据及趋势可以看出，相对于整体式U型渠道而言，两拼式的冻胀量变化相对剧烈，冻胀量在一、二月之间呈现出显著上升趋势，在二月中旬后有所下降，冻胀量变化较为显著的地区在渠道坡板与底部弧板交界部位。本试验中的两拼式U型混凝土渠道有其一定的特殊性，其位置为东西走向，由于日照程度的差异，其阴阳坡在温度等方面存在较大的差异，阴坡在冻融期基本处于无阳光照射阶段，而阳坡则长期处于阳光直射状态。由此课件，渠道的走向对渠道的冻胀量的影响也较大。

相对于以上两者而言，多拼式U型渠道的底部冻胀量变化较大，但不及两拼式U型渠道。对比横纵冻胀量变化可知，不同观测点的纵向冻胀变化基本一致，增减幅度也基本相等，只在试验段的两端存在些许差异，考虑存在两端监测点受到了破坏而形成。而横向冻胀量的变化主要在于阴阳坡的环境差异，阴坡的冻胀量最为显著，高于渠底与阳坡的冻胀量变化。

综合以上冻胀量变化的情况看，从数值角度分析，冻胀量变化最大的为两拼式U型混凝土渠道，其次则是多拼式U型渠道，而整体式U型渠道的冻胀量变化最小。究其缘由，除了渠道走向等因素造成的外部环境的差异外，渠道的衬砌尺寸、开挖深度、衬砌结构的差异等也是重要的影响因素。三种不同结构的渠道的最大冻胀量均出现在渠道底部，分析后得出由于渠道底部处于渠道整体结构中最深的区域，受到地下水位及其基土含水量的影响，在冬季水分将会向冻结面迁移，自然其冻胀量最大。三者相比较而言，整体式U型渠道的整体衬砌尺寸最小，衬砌的完整性与整体性较高。而两拼式U型渠道与三拼式U型渠道的整体性相对较差，存在较多的分缝，结构整体刚度下降。

2.4.2 地温

根据试验中整体式、两拼式与三拼式U型渠道在阴阳坡地温变化数据及其趋势情况，可以得出，同道中一渠道阳坡地温明显大于阴坡，差值相对较为明显，不同结构的渠道中同一位置的地温值差别较小。对比试验时段内大气温度情况来看，在距地面深度50cm内的地温值变化受到大气温度的影响较大，其变化与大气温度的变化情况较为一致。当深度大于50cm时，地温值的变化基本不受大气温度的影响，地温随着深度的增加而增加。从时间角度看，整个冻融期内，地温值的变化呈现先减后增的趋势，在二月中旬达到了地温最小值，而后逐渐回升并趋于稳定。

3 结 语

综上所述，渠道之于灌溉系统来说有着不可或缺的作用，它是灌溉系统的基本构成单元，也是灌溉系统得以实现其使用价值的重要部分。因此，渠道的使用效率与效益将直接影响灌溉的质量。在我国，由于气候条件等因素的影响，渠道冻胀破坏现象在某些地区普遍存在，大大影响了渠道的使用效率与效益。文章围绕U型混凝土渠道冻胀监测展开探讨，选取我国某地区渠道冻胀情况展开监测，就不同衬砌结构下的渠道冻胀情况进行对比，就相关数据分析渠道冻胀与某些因素的关系。基于此，旨在为我国未来U型混凝土冻胀破坏的防治与处理提供些许参考。

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