西北寒区渠道工程冻融灾害链式试验研究

弋昭媛

(新疆额尔齐斯河流域建设开发管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

渠道是我国输送水资源的重要方式，而北方季节冻土区渠系利用率很低，主要是由于渠基土冻胀发生破坏，降低了渠道输水功能的效率，导致了大量灌溉水渗漏[1]。渠道工程在寒区受到冻胀破坏的影响情况严重，因此解决渠道防渗抗冻胀问题是发展节水农业的重要保障[2]。20世纪60年代，李翠兰[3]依据毛细理论对土体产生冻胀力以及冻胀进行分析并给出了定量计算，提出冰透镜体之所以产生是由于冻胀压力和抽吸压力的存在；黄英豪[4]等对冻土中热质转移以及水分运移引起的水、热、力多场耦合问题进行了探究，并通过适当的假设条件建立了模型方程，得出土体冻结规律。本文基于相关理论研究，结合前人的研究结果，以新疆北屯灌区渠道为研究对象进行科学研究，通过建立试验模型，对寒区渠道工程冻融灾变的水分场与温度场链式作用机理进行了研究并提出更加合理的抗冻胀的工程措施，为今后的工程实施提供参考。

1 寒区渠道工程有限元模拟

1.1 有限元计算基本假定

试验采用ABAQUS/Standard通用分析模块设定模型参数以及施加各种类型的荷载，可提交并监视分析作业[5]。本文不考虑水、热、以及力三场耦合的数值模拟，而是将冻土视为冷胀材料，对模拟过程采用合理的简化，并假设渠基冻土是连续均匀的各向同性材料，将渠基土冻结的过程看作稳态热传导过程。

1.2 渠道冻胀数值模拟

比较原型试验与数值模拟计算结果，采用4节点的平面应变单元划分网格，选取渠基土从顶向下到15m位置，边界界定离渠道坡3m，得到如图1所示的渠道有限元网格。

图1 渠道有限元网格

表1为冻土及其他材料参数，由表1可知，冻土的泊松比为0.35，混凝土衬砌板导热系数为0.65W/(m·℃)，下层土体受外界的影响较小，其导热系数较大。

1.3 温度场及力场的模拟计算

图2为渠基的温度场分布。由图2可知，渠道的不同位置，温度不同，且阴坡的温度梯度稍大于阳坡，与实际工程情况相符合。渠基土底部含水率高于渠道边坡，温度等值线越靠近底部越接近于水平直线，渠底的温度梯度远远大于渠坡。阴坡的最大冻深为145.2cm，阳坡的最大冻深为133.1cm，渠底的最大冻深为144.8cm。在冻土两侧竖直段设置水平方向约束，并在模型上施加静力。渠底基土产生的冻胀量最大，阳坡最小，最大冻胀变形发生在渠道底部，为12.31cm，渠底板和渠坡板在接近坡脚位置相互约束且冻胀量较小。

图2 渠基的温度场分布

2 渠道冻融原型试验

2.1 试验仪器及观测方法

试验用仪器及其作用见表2[6- 7]。

表2 试验用仪器

在对地温进行测量时，应自当年10月份进入冻结期开始，观察每天3∶00、9∶00、15∶00、21∶00的土壤温度并记录最高、低气温值。冻胀力以及冻深的测量同样自进入冻结期开始，每日测量不同冻深数据以及冻胀力的数值。距离渠道12m位置处设立埋深为2.5m的基准高程点，利用水准仪测量垂直冻胀位移，经纬仪测量水平冻胀位移量，观测每日渠底、阳坡以及阴坡不同测点处衬砌体表面测量垂直和水平位移量矢量合成冻胀变形[8]。

2.2 试验方案

原型试验区位于新疆北屯灌区，平均土体冻深为2m，渠基土体为低液限粉土，防渗效果一般，历年的最大冻深为2.6m，试验区地下水位超过12m，相关土壤性能见表3。

表3 渠基土壤性能参数

试验渠道为东西走向，设计流量为25m3/s，混凝土衬砌板为15cm等厚板，底板和坡板采用混凝土现浇。试验开始前一周排空渠道内的水，渠道的总长度为65m，渠道深35m，边坡系数1.0，地温测段长250cm，渠道冻胀应力测段长435cm，土壤冻深测段长288cm，复合衬砌渠道冻胀变形测段长330cm。测试点分别在渠底中心(O)，设计水位点(S1、N1)、2/3设计水位点(S2、N2)以及1/3设计水位点(S1、N1)。

3 寒区渠道工程冻融灾害链式试验研究

3.1 渠道冻胀破坏机理及特征分析

土体水分不断的迁移是导致渠基土发生不均匀冻胀的原因，水分发生运移的深度范围小并且运移的量也比较少，如图3所示冻结期渠基不同测点含水率沿深度变化的趋势，由图3可知，在0～55cm范围内，渠基土体的含水率随着深度的增加而增大，渠道底部的含水率最大，且阳坡的含水率要明显小于阴坡的含水率。而在55～100cm范围内，随着深度的增大，土体的含水率逐渐减小。

渠基土体深度65cm处水分变化的数据见表4，由表4中数据可得，冻结期渠基土体水分变化最大值为15%，发生在渠底O处，水分向上迁移。而融水期水分变化量最大值也出现在O点，为12%，水分向下消散。

表4 渠基土体深度65cm处水分变化 单位：%

试验测得衬砌渠道各测点冻胀变形量的最大值见表5冻胀量、冻胀力以及土体冻深观测值所示，

由表5可得，阴坡测点S3和渠底测点O处冻胀变形量最大，分别为13.5cm和12.5cm，阳坡的冻胀变形量最小。冻胀力最大值出现在阴坡S3测点处，为185MPa，其次为渠底O测点处的165MPa，阳坡测点处的冻胀力要远小于其他测点。在气温下降阶段，最大冻胀力出现在阴坡底部向上1/3处，而随着温度的上升，冻胀应力也随之减小，最终为负值。

表5 冻胀量、冻胀力以及土体冻深观测值

利用TZY- 1型综合测定仪，选取不同部位复合土工膜试验单元，检测复合土工膜变形和强度，经过一个冻融周期，得到复合土工膜的伸长率以及强度的变化值，见表6复合土工膜的强度及变形值，由表6可知，纵向抗拉强度损失率为10%，横向抗拉强度最大损失值为4.5kN/m，发生在渠底部位，纵向抗拉强度最大损失值为5.2kPa，也发生在渠底；土工膜的伸长率减小了约10%，满足土工膜强度减小最大的位置出现在渠底板与渠坡交接点向上1/3处。

3.2 渠道冻胀链式分析

通过分析实测渠基土体的温度与水分数据来研究分析三场耦合作用下水分运移与冻土内部温度间的相关性。表7为渠基10cm处水分运移量、冻结温度以及渠道冻深值，由表7可知，在不考虑冻结期地下水对渠基土水分补给作用下，在冻结期，只有初始水分参与土体水分的运移，发生运移的深度范围较小，水分向上聚集运移量为4.8%，冻结作用消失后平均水分向下消散的运移量为4.5%，其中+表示水分向上迁移；-表示水分向下消散。

表6 复合土工膜的强度及变形值

表7 渠基10cm处水分运移量、冻结温度及渠道冻深

4 结语

通过对渠道冻胀破坏过程中各个因素间链式关系的研究，结合具体工程实例，对渠道冻胀破坏不同时期以及引起冻胀因素间的链式规律进行了分析，得到了以下结论：

(1)利用ABAQUS有限元分析软件，对渠道的温度应力场及变形场模拟以受力及冻胀规律进行了计算分析，通过合理简化假设，选取合理的参数，将冻结期内冻土和衬砌板视为整体考虑受力变形的特性，发现渠道整体结构被向上抬起，渠道衬砌板表面主应力在渠道坡板往上1/3以及底板处较大，与原型试验观测相符。

(2)对渠道衬砌结构冻胀破坏链式机理进行了分析研究，发现冻胀现象是对地温和水分分布作用的响应，土体水分的迁移主要受地温和土体性质作用的影响，气温和地温的变化趋势直接影响混合衬砌渠道渠基土冻深的发展。冻深最大值以及渠道冻胀最大变形量都发生在渠道底部O点，渠基土水分含量随土层深度的变化而变化。