U形渠道冻胀监测试验研究

魏 超

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 试验区域的选择

选取北方位于洪积与冲洪积平原交汇区域的整体式U型渠道——新疆温宿县灌区农田水利基本建设项目U型砼板防渗渠道为观测渠道，温宿县地处新疆西部塔里木盆地以北，呈典型大陆性干旱气候。该渠道全长13.5 m，衬砌结构为整体式衬砌，试验段渠基土测试结果表明，土壤中直径在0.1 mm～0.5 mm的颗粒在总含量中占比85.4%，根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）可以判定区域土壤为级配不良级细砂。渠道所在区域主要表现为泄湖相沉积，水质条件不良，地下水平均埋深1.6 m，水矿化度较高。新疆温宿县灌区农田水利基本建设项目区内年平均气温7.9℃，1月～2月为最冷时段，该时段内平均气温为-7.8℃，极端最低温度为-24.9℃，日照时间长，农业发展主要以人为灌溉方式为主，灌溉用水包括地表水和地下水。试验观测时间定为2018年11月1日～2019年2月29日。

2 试验方案设计

2.1 试验仪器

本试验在模拟整体式U型混凝土渠道冻胀过程并对渠道不同部位渠基土冻胀量、地温、冻胀力等进行观测和数据采集。

U型混凝土渠道冻胀的监测与试验所需观测仪器主要有冻胀计、水准仪、数字万用表、压力盒等。U型渠道冻胀监测试验中地温与冻深主要布置于衬砌段的中部，而冻胀监测布置于渠底，并在试验渠段两端固定锚杆，以预期冻胀量配置为依据设置钢丝，并确保钢丝始终处于拉直状态，与衬砌板平行放置，以控制钢丝变形引起的试验误差，依靠锚杆与钢丝的配置完成冻胀监测，从而控制因钢丝变形所导致的试验误差[1]。冻胀监测试验过程中，在渠基土和衬砌板接触面防止压力盒，并确保压力盒受压面与衬砌板背向平行，不同结构下观测横断面压力盒分布数量应为3个～5个，冻胀计及土压力盒参数取值见表1。

图1 U型渠道地温与冻深观测设计

表1 传感器参数

2.2 地温监测

U型渠道渠系土地温监测采用数字万用表和热敏电阻，将热敏电阻分别埋设于渠道底部、阴坡阳坡坡脚及坡板以上15 cm处。具体埋设过程中，从埋深深度最大处开始，通过取土钻土方式顺次进行热敏电阻在不同深度土体内的埋设，完毕后填土夯实。

2.3 冻深监测

U型渠道冻深监测试验主要使用冻土器，外管和内管是其中主要的测量配件，根据装水内管埋设后水的冻结长度进行冻深测量值的确定。冻土器埋设方式与压力盒相同，而且冻土器埋设必须在渠基土冻结前完成。采用钢丝法进行U型渠道冻胀量的测量与监测，先确定试验渠段基标准定位测点（图2），设定好锚杆后刻槽，再固定好监测用钢丝，使用游标卡尺进行钢丝和测点间垂直距离的测量以确定不同结构U型渠道冻胀量。

U型渠道冻胀应力测量主要通过压力盒完成，在本次试验冻胀应力观测方案下，应在U型渠道底部、阴坡和阳坡坡板与弧板接合处设置压力盒，并与衬砌板保持平行，埋设深度距坡面15 cm，并在埋设过程中尽量减少对原状土的扰动与破坏。

图2 整体式U型渠道冻胀观测布置

3 试验观测及数据分析

试验开始后，每间隔30 min进行一次渠基土冻胀量、土压力盒及渠基土内温度感应器数据的采集与记录。

3.1 冻胀量

采用千分位游标卡尺、水准仪、经纬仪进行U型渠道衬砌结构冻胀变形程度的测定，具体而言，先在渠道外侧4.5 m处设置2.0 m深的永久性高程基准点，用混凝土浇筑后做好标记，并用水准仪、经纬仪进行冻胀量测量以及渠顶渠底水平位移、垂直位移的测量，为消除基准点基土冻胀变化对观测项目的影响，全部测点高程均应以该基准点为基础。采用机械百分表进行渠底垂直位移的测定，为进行纵向观测，应先预埋固定锚杆，再通过钢丝测量法进行纵向冻胀量测量，观测数据精度高达0.1 mm。在各观测断面固定锚杆顶端4.5 cm处与混凝土板平行的位置按3 mm直径尺寸打孔，在各固定锚杆用细钢丝穿孔，钢丝另一端与弹簧绑扎，确保钢丝位置的固定，且与混凝土面板构成平行断面。各测点至钢丝的垂直距离用分度1 mm的游标卡尺测量，测得的数值就是各测点混凝土板冻胀变位值。

图3 阳坡渠道冻胀量监测结果

图4 阴坡渠道冻胀量监测结果

由图3可知，2018年11月8日U型混凝土渠道阳坡直段渠基土开始出现初始冻胀位移，从2018年11月8日～2019年2月29日共持续112 d，其中冻胀位移＞1 mm的天数为36 d，最大冻胀位移量1.17 mm出现在2019年1月12日；阳坡弧段渠基土初始冻胀位移出现在2018年11月11日，冻胀位移持续天数113 d，最大冻胀位移量1.01 mm出现在2019年1月20日。总体而言，弧段处渠基土冻胀位移量比直段处大，但在冻结初期，弧段处渠基土冻胀量与直段处相差并不大，究其原因，主要是因为冻结初期渠基土温度始终在0℃左右变动，渠基土冻胀情况并不稳定。

由图4可知，U型渠道阴坡直段渠基土初始冻胀位移开始出现在2018年11月4日，持续时间为112 d，冻胀位移量＞1 mm的天数为47 d，最大冻胀量1.39 mm出现在2018年12月19日；阴坡弧段渠基土初始冻胀位移同样出现在2018年11月4日，冻胀位移持续天数114 d，最大冻胀位移量1.16 mm出现在2018年12月27日。结合图3和图4可知，与阳坡渠基土相比，阴坡渠基土受太阳照射少，冻胀量明显比阳坡渠基土冻胀量大。

阴坡弧段渠基土平均冻胀量最大，阳坡弧段出渠基土平均冻胀量次之，阴坡直段处渠基土平均冻胀量再次之，阳坡直段渠基土平均冻胀量最小，渠基土温度和冻胀量存在直接联系，整体上看，温度降低导致渠基土冻胀量升高[2]。

表2 渠基土地温情况统计

3.2 地温

渠基土温度变化对U型渠道冻胀量也存在一定程度影响，随渠基土地温的降低，冻胀量随之增加。本次试验在阴坡和阳坡两侧渠道轴线对称安装冻胀仪，阴坡渠基土整体温度低于阳坡（表2），阴坡渠基土冻胀量也整体大于阳坡。就同一坡面而言，渠道直段地温高于弧段，直段冻胀量小于弧段。渠基土温度最低值和冻胀量最大值均出现在11月中旬～次年1月底这一区间。

4 结论

渠道是农田灌溉系统基本构成单元，在农田灌溉中发挥着重要作用，渠道使用效率能否顺利发挥关系到灌溉质量的高低。在我国，受不利气候条件等的影响，部分地区灌溉渠道会出现冻胀破坏现象，影响到渠道系统使用效率的正常发挥。文章选取具体渠道进行冻胀情况监测，并进行了整体式U型渠道冻胀情况变化及影响因素的对比分析，旨在为整体式U型混凝土渠道冻胀破坏的预防与处理提供参考。