景电工程干渠块石换填措施抗冻融效果评价

刘月 王正中 李甲林 张茂林 申正香

摘要：为解决景电工程干渠红砂土基础在地下水浅埋条件下冬季冻胀量大、暖季融沉滑塌严重的问题，对渠道基础采用块石换填的抗冻胀融沉方案。根据地下水埋深与渠基土冻胀、融沉强度的关系，得到冻土的本构方程，采用COMSOL有限元软件对换填前和换填后渠道衬砌的位移场和应力场进行了对比计算。结果表明：换填后的渠坡、渠底衬砌板法向位移最大值相对于换填前分别减小了53.8%、78.O%；换填后，渠道衬砌最大法向冻胀力和切向冻结力相比换填前分别减小了73.2%和82.8%，且整体分布更均匀。在地下水浅埋和土体遇水软化的水文地质条件下，块石换填渠道具基础有优良的抗冻胀融沉效果。

关键词：块石换填；抗冻融效果；数值模拟；景电工程

中图分类号：TV91

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.036

1 景电工程概况

甘肃省景电工程输水总干渠及干渠总长150多km，是控制整个灌区的输水大动脉，在完成灌溉输水任务、正常发挥工程效益方面具有决定性的地位。输水渠位于季节性冻土地区，工程区土质为强冻胀性沙壤土，遇水易崩解软化，在冬春季节冻融循环作用下常常发生严重的冻胀破坏以及土体融沉滑塌现象。近年来，随着灌溉面积增加，渠道周边农田土壤含水量增大，渠道周围的地下水位上升，渠道侧向水补给增多，加剧了渠道的冻胀和融沉破坏（见图1）。经现场调查统计，干渠渠道冻胀变形导致的衬砌架空隆起面积达到了总衬砌面积的65%，大面积滑塌面积占总面积的30%，造成了巨大的输水渗漏损失和水头损失。

2 景电工程干渠衬砌破坏原因分析及改造措施

为了提高景电工程输水总干渠输水能力，最大限度延长灌区渠道工程使用寿命，需要结合当地水文地质条件和土体特性，采取经济合理的抗冻胀变形和融沉滑塌的措施对渠道衬砌进行改造。大量寒区工程经验与冻土理论研究成果表明，土体冻胀产生的原因是负温导致土体孔隙水冻结成冰后析出孔隙，随后未冻结区域水分向冻结区域迁移，促使析出冰厚度增加，从而导致土体体积的膨胀，所以土体冻胀与负温、水分和土体孔隙结构3个因素相关。景电工程输水渠道平均地下水位位于渠底以下30cm，个别地段地下水逸出渠底，因此渠基土含水量接近饱和，加之红砂土较好的渗透性和松散的结构便于水分迁移和冰析出，最终形成了渠道的强冻胀和强融沉特性。封闭的块石换填层可以将地下水阻隔，减小换填层含水量：依靠换填层较大的自重作用于下层土体，增加了孔隙冰析出的临界力，从而降低土体冻胀率：在换填层下方土体冻胀或融沉变形时，换填层较大的刚度抵抗了大部分变形量，从而可以减小作用于衬砌上的冻胀力。基于此，设计了块石换填基础土体和块石间挤密并填充砂浆以形成封闭衬砌的抗冻胀融沉改造方案（见图2）。

衬砌改造于2016年1月31日完成，2月1日起正式进行现场监测。部分位移监测结果见表1。为对改造后的渠道抗冻胀和融沉效果进行预测性评价，依据《冻土工程地质勘察规范》建立了冻土冻融变形本构方程，结合经典热传导方程，采用COMSOLMutiphsics多物理场耦合软件对改造前后渠道冻融进行了数值计算。

3 梯形土渠块石换基数值模拟

3.1 热传导方程

忽略土体热对流及辐射作用，则在冻结过程中，平面内的非稳态热传导方程为式中：p为土体密度，kg/m3；C为土体比热容，J/（kg·K）；λx、λy分别为冻土沿x、y方向的热传导系数，W/（m.K）；T为温度，℃；t为时间，s。

3.2 本构方程

依据文献，将渠基冻胀视为“冷胀热缩”，由上述热传导方程再加上渠道应力场方程和边界条件，即可进行热力耦合数值计算。

计算渠道冻胀变形的应力场平衡方程为本构方程为式中：σ为正应力：ε为正应变：v为位移矢量：▽为哈密顿算子：σ0为初始应力；C为弹性矩阵；εinel为温度应变：T为温度；Tref为自由应变参考温度；χT为温度线膨胀系数；η为冻胀率。

3.3 有限元模型参数选取

根据恒温层厚度，有限元模型渠道从渠顶向下取9m为下边界，左、右边界从衬砌板边缘分别向两边延伸5m，混凝土衬砌板、砂浆层厚度及块石换填厚度见图2。采用COMSOL有限元软件对其进行数值模拟，具体参数设置见表2。

3.4 结果分析

3.4.1 衬砌板法向位移分析

根据景电工程地区实际边界条件，在COMSOL中进行数值模拟计算，计算步长为7d，共计算了包括冻融循环的1a内的衬砌板法向位移。提取冻结期（11月至次年2月）和部分融化期（次年3-4月）数据，对换填前和换填后的渠道衬砌板法向位移进行对比（见图3和图4）。

对比图3和图4，可知11月进入冻结期后，随着温度的降低，土体中未冻水在负温梯度下向冻结锋面迁移并冻结成冰，体积膨胀，使得渠基冻土冻胀量逐渐增大，衬砌板法向位移也逐渐增加（11月至次年2月）；到次年3月，环境温度开始回升，渠基冻土随着温度的升高而逐渐融化，使得渠基土体冻胀量逐渐减小，衬砌板法向位移也逐渐减小（3-4月）。对比图4中2-4月和表1中相应的融沉位移，可以看出模拟得到的衬砌板融沉位移和现场监测的结果比较吻合，从而验证了该模型的合理性。

对比换填前、后渠道衬砌板法向位移可得，冻结末期（2月）换填前渠坡、渠底衬砌板法向位移最大值分别为7.8、18.2cm；换填后渠坡、渠底衬砌板法向位移最大值分别为3.6、4.0cm，相对于换填之前分别减小了53.8%和78.0%。计算换填前、后渠道衬砌板法向位移均方差分别为6.45、1.02cm。由此可知，换填后的衬砌板法向位移明显减小且分布更加均匀，说明采用块石换基措施后抗冻胀融沉效果显著。

3.4.2 应力场分析

渠基土体冻结膨胀会对渠道衬砌产生法向冻胀力和切向冻结力，提取衬砌板法向位移达到最大（2月）时的数据进行分析，见图5。换填前衬砌板坡脚处产生较大峰值法向冻胀力和切向冻结力，分别为4.97、8.08MPa，采用换填块石措施后，明显削弱了坡脚处的应力，换填后的最大法向冻胀力和切向冻结力分别为1.33、1.39MPa，相比换填前减小了73.2%和82.8%。经计算，换填前法向冻胀力、切向冻结力均方差分别为1.07、2.12MPa，换填后分别为0.41、0.66MPa。由此可知，换填后有效削弱了衬砌板坡腳处的峰值应力，且整体分布更加均匀。

综上可知，采用块石换基措施，既能减小渠道衬砌板法向位移，又能削弱坡脚处的峰值应力，使衬砌板法向位移和应力分布更为均匀，改善了衬砌板的受力状态，其抗冻胀效果显著。

4 结语

（1）景电工程干渠渠道基础经过块石换填后冻胀量大幅度减小：与此同时，衬砌所受法向冻胀力和切向冻结力得到了削减且分布更加均匀。在融化期，基础换填后渠道整体融沉量可以忽略不计。

（2）对于地下水埋藏浅、土体遇水软化等不良地段的渠道，可以通过块石挤密换填来封堵地下水和提高基础刚度，最终可达到防治冻胀和融沉滑塌的目标，提高渠道衬砌的运行寿命。

（3）刚度较大的块石基础对冻胀和融沉变形的抵抗作用显著，但是不可避免地增大了块石体的应力，容易发生块石基础的剪切和挤压破坏，在工程设计时需要进行强度验算。