砂卵石换填对渠道衬砌抗冻胀效果影响的试验研究

张 晶

(河北省子牙河务中心，河北 衡水 053000)

我国是灌溉水利的建设和应用大国，灌溉渠系的设计和建设对保证灌区灌溉效果，提高有限灌溉水资源的应用效率具有十分重要的意义和作用[1]。但是，我国的许多灌溉渠道由于建造的年代久远，加上设计标准偏低，存在比较严重的老化和失修问题[2]。另一方面，受到地理位置和气候因素的影响，我国的季冻区面积十分广大，约占我国国土总面积的50%。在我国北方的季冻区，渠道的冬春季冻胀破坏问题十分普遍，已经成为当地影响渠道运行安全和耐久性的重要因素[3]。某灌区在冬春季节的冻融循环作用下经常发生比较严重的冻胀破坏现象，加上运行时间长久，因此渠道的渗漏现象也比较严重，造成渠系水利用效率大幅降低[4]。近年来，随着灌区灌溉面积的不断拓展，渠道周边地区农田的含水量有所增大，进一步加剧了渠道的冻胀破坏。在这一背景下，凌源市积极筹集资金，实施灌区的改造和续建工程，而改善渠道的冻胀破坏是渠道改造的重要目标。在具体的工程设计中，采用其他防冻胀措施的同时，考虑到当地砂卵石材料分布广泛，拟采用砂卵石换填渠道基土，提高渠道抗冻胀性能。基于此，此次研究通过现场试验的方式，分析和探讨砂卵石换填对渠道衬砌抗冻胀效果影响，给工程优化设计提供支持。

1 试验设计

1.1 试验段选择

试验中选择陈杖子灌区2#支渠Z0+000～Z0+100段作为试验段。该段渠道采用的是现浇型混凝土衬砌渠道，渠道断面为梯形设计，边坡坡度为1.5，渠底宽2.0 m，渠深1.5 m。渠道的基土土质为粉质壤土，地下水位在渠道底板以下0.2 m 部位。

1.2 试验目的

根据寒区工程的特点以及冻土理论，渠道基土的冻胀主要是负温条件下土体内部的孔隙水凝结造成的，因此渠道冻胀破坏与负温、含水量以及基土土体的孔隙率之间具有十分密切的关系。利用砂卵石换填部分基土，可以起到阻隔地下水的作用，减少换填层内的含水量，同时依靠其增加孔隙冰析出的临界力，从而实现冻胀量的有效控制。因此，研究中以选择的试验段为例，通过对不同方案下的地温、湿度以及冻胀量的观测和分析，探讨砂卵石换填对渠道衬砌抗冻胀效果的具体影响。

1.3 试验方法

试验中对基土温度和冻深的监测利用的是单点温度传感器，在渠道左右两侧的顶部和渠底各布置一组温度传感器，共4组温度传感器。鉴于辽西地区冬季最大冻深为1.2 m，基土自地表2.0 m以下的温度变化对冻胀的影响作用不大,因此，各组温度传感器的钻孔深度为2.0 m，孔内每隔20 cm布置1个温度传感器，自上而下共布置11个温度传感器[5]。为了避免传感器位置变化，要将所有的温度传感器串联固定并放入PVC管，再放入温度孔。

在换填条件下，孔隙中的水湿度是上部自由水的主要来源，其变化情况会直接影响衬砌结构的冻胀特点[6]。研究中的孔隙水湿度监测采用的是SHT30型土壤湿度传感器。在传感器的安装过程中，需要将探针水平插入土体，并与土体紧密接触[7]。

在冻胀量的监测方面，采用冻胀位移传感器[8]。在埋设过程中，首先需要钻孔到设计的深度，然后在钻孔内放入延长杆，在延长杆上设置防冻结套筒，使延长杆底部的底座和土体紧密接触，并在孔中回填原状土，然后压实。其具体的埋设方式如图1所示。

图1 冻胀位移传感器埋设方式

1.4 试验方案设计

试验段的衬砌结构为厚度6 cm的预制混凝土板，表层为3 cm的水泥砂浆抹面，衬砌结构与基土之间布置厚度为5 cm的聚丙烯泡沫板。在基土换填方案下，将衬砌结构以下50 cm厚的基土换填为不同粒径的砂卵石材料。为了研究获取换填砂卵石对渠道抗冻胀效果的影响，根据当地砂卵石料的实际特点，研究中设计了2～4 cm、4～6 cm、6～8 cm和10～15 cm等四种不用粒径的砂卵石料进行换填试验，分别记为方案1、方案2、方案3、方案4，同时将没有换填的原状基土作为对比方案，记为方案5。试验段在2020年12月1日完工并开始试验，12月30日试验结束。

2 试验结果与分析

2.1 冻深试验结果与分析

对试验中获得的温度垂向分布数据进行整理，获取典型时段的最大冻深，如表1所示。由表1中的数据可以看出，随着环境温度的逐步降低，各方案的基土最大冻深也呈现出逐步增加的变化特征，但是增加的幅度逐渐减小，最终趋于稳定。从不同方案的试验结果对比来看，方案5，即没有换填基土方案的冻深明显偏大。以试验结束的12月 30日数据为例，其最大冻深为1.14 m，与方案1、方案2、方案3和方案4相比，分别大了35.7%、48.1%、70.1%和56.2%。由此可见，对渠道基土进行砂卵石换填可以显著降低基土的冻深，这对于控制渠道的冻胀破坏是有利的。另一方面，从不同换填方案的试验结果来看，基土冻深会随着砂卵石粒径的增大呈现出先减小后增大的变化特点，方案3，即砂卵石的粒径在6～8 cm 时的冻深相对较浅，渠道的抗冻胀效果最佳。

表1 不同方案的最大冻深试验结果 m

2.2 湿度试验结果与分析

对试验中获得的换填层湿度数据(方案5为同深度土层数据)整理,获取典型时段的湿度数据，如表2所示。由表2中的数据可以看出，各试验方案换填层的湿度随着试验的进行，呈现出先下降后上升最终趋于稳定的变化特征。从不同试验方案的结果对比来看，方案5的湿度值较其余4个方案明显偏大，说明砂卵石换填有助于降低基土湿度，对控制冻胀变形有利。从不同换填方案的对比来看，方案3的湿度试验结果最小，说明该方案对控制基土湿度最为有利。

表2 不同方案的换填层湿度试验结果 %

2.3 冻胀量试验结果

对试验中获得的温度垂向分布数据，整理获取典型时段衬砌结构的最大冻胀量，结果如表3所示。由表3中的数据可以看出，渠道衬砌的冻胀量随着试验的进行呈现出先减小后增大并逐渐趋于稳定的特点，原因是施工完成之后基土存在一定的沉降变形，之后逐渐产生冻胀变形。从不同方案的对比来看，换填方案较不换填方案5明显减小。从12月30日的试验结果来看，方案1、方案2、方案3、方案4较不换填方案5分别减小了约29.7%、40.7%、45.9%和43.0%。由此可见，进行砂卵石基土换填可以对冻胀量产生明显的控制作用，有效防止渠道衬砌结构的冻胀破坏。从不同的换填方案对比来看，方案3的冻胀量最小，说明该方案对控制衬砌结构的冻胀破坏最为有利。

表3 不同方案的衬砌结构最大冻胀量试验结果 mm

3 结 论

此次研究通过现场试验的方式，探讨了砂卵石换填对渠道衬砌抗冻胀效果的影响，获得的主要结论如下：

(1)砂卵石换填有助于减小渠道基土的冻深，砂卵石的粒径在6～8 cm时的冻深最浅。

(2)砂卵石换填有助于减小渠道基土换填层湿度，砂卵石的粒径在6～8 cm时的换填层湿度最小。

(3)砂卵石基土换填可以对冻胀量产生明显的控制作用，方案3对控制衬砌结构的冻胀破坏最为有利。

(4)综上，砂卵石换填可以显著提高渠道衬砌抗冻胀性能，且砂卵石的粒径在6～8 cm时的效果最佳。