不同粒径碎石填料渠基冻结试验研究

滕箫屿

(辽宁白石水利水电建筑工程有限公司，辽宁 沈阳 110000)

渠道可以解决我国水量空间分布不均的情况，新中国成立以来，我国规划建设了许多渠道设施。但是在北方以及一些高海拔地区，由于地基气温普遍偏低，在冻融循环作用下易发生冻胀破坏，不仅造成渠道供水能力减弱，而且由于渠道渗漏导致渠基土含水率增大，会进一步加剧渠基的冻胀变形，严重影响渠道等输水工程的使用寿命，大大增加了维修成本，如何有效抑制渠基的冻胀变形成为当前水利界的一大热点[1-4]。

渠道冻胀破坏的发生与渠基水分场密切相关，在含水率较高的渠道基础地区冻胀破坏尤为剧烈，这主要是由于水分在渠基中进行迁移导致“锅盖效应”的发生[5-10]。要解决此类问题，最好的办法就是对渠基进行碎石换填，碎石层具有“热半导体”效应，可以充分利用基础底部的温度，减小基础冻深，从而改善基础的冻胀破坏，碎石级配基础在公路、铁路工程中已经得到了充分论证和应用[11-14]，但是在水利工程中应用还比较鲜见，相关的研究也比较少。因此，本文对粉质黏土渠基和不同粒径碎石填料渠基进行了单向冻结试验，以期能为碎石换填技术在水利渠道工程中的应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

渠基土：粉质黏土，干密度为1.8g/cm3，湿密度为2.05g/cm3，含水率大小为14.6%，粒径为0.075～1.25mm。

碎石填料：大理岩碎石，按照等效球粒径将碎石划分为：0.45、1.0、1.5和1.85cm 4种等效粒径，通过灌水法对4种等效粒径的碎石填料进行空隙率测试，结果测得空隙率分别为：46.3%、44.5%、42.1%和43.2%。

1.2 试验方案

试验采用单向冻结试验装置，该装置包括试验桶(高度10cm)系统、温度自动控制系统、水分补给系统以及数据自动采集系统4部分组成，温度传感器的精度为0.01℃，水分传感器精度为0.1%VWC，湿度传感器测量范围为0～100%RH，压力传感器测量精度为0.1mL。试验初始温度为15℃，顶部温度为-15℃，底部温度为5℃，环境温度为5℃，冻结试验过程中采用水分补给系统对进行补水操作。试验方案见表1。

表1 试验方案 单位:℃

1.3 试验过程

(1)将取回的渠基粉质黏土进行翻晒、碾压、筛分，确保土样无结块，将碎石进行烘干。

(2)按照14.7%的含水率将土搅拌均匀并用塑料密封静置2d。

(3)在试验桶下铺设滤纸，防止土颗粒或者碎石杂质堵塞补水孔，然后分层填入黏土或碎石。

(4)安装温度、湿度、水分、压力等传感器。

(5)开启恒温箱(试验箱上下温度导板均为15℃)并设置为15℃，保持恒温9h，确保试验对象均处于15℃的初始温度。

(6)将试验箱上部温度导板调节为-15℃，下部温度导板调节为5℃，并将恒温箱温度调节为5℃，开始进行冻结试验，冻结试验过程中每隔一定时间采集补水量、湿度和温度等参数，冻结试验时间为20h。

(7)对试验数据进行整理和分析。

2 试验结果分析

2.1 补水量分析

试验得到的不同实验组补水量随时间的变化关系如图1所示。

图1 补水量变化曲线

由图1可知,随着冻结试验时间的不断增加，各实验组渠基填料的补水量呈逐渐增长趋势，在0～6h内补水量快速增大，6～20h补水量近似呈线性缓慢增加；对于黏土渠基，由于刚开始实验室温度变化速率较快，土样内部的水分发生相变，孔隙水在降温过程中凝结成冰，随着时间的推移，冻结锋面也随之移动，导致土样下部的水分向上部迁移，下部水分迁移之后需要进行补充，因此从补水系统进入的补水量在冻结初期会快速增大；当冻结锋面推移到一定程度后会逐渐稳定下来，同时在冻结锋面处形成的冰晶会堵塞部分水分迁移通道，因此水分迁移的整体速率就会放缓，因而后期补水量增长缓慢；对于碎石渠基填料，由于在试验初期将碎石进行了烘干处理，因此试验碎石填料的初始含水率很低，当碎石处于补水环境中后，会快速吸收周围的水分，导致试验箱中的湿度降低，补水系统就会快速给试验箱中补给水分，当试验箱中的环境湿度达到饱和或者稳定之后，水分补给速率就会逐渐降低。冻结试验时间相同时，碎石渠基的补水量明显小于黏土渠基的补水量，碎石填料粒径越大，补水量越小，这是因为碎石颗粒粒径越大，其比表面积越小，水分吸收和蒸散发能力也相对越弱，因此补水系统对于试样的水量补给月最小。

2.2 湿度变化分析

试验得到的湿度变化特征曲线如图2所示。

图2 湿度变化曲线

由图2(a)可知，随着冻结试验的进行，不同高度处的渠基湿度表现出不同的变化特征，处于试验下层(0.5m)的渠基填料，在试验0.2h后，湿度就快速达到100%，这是因为下层填料离补水口最近，当进行补水处理后，下层土样中的空气会最先达到水分饱和；试验中层(3.5和6.5m)和上层(9.5m)的渠基填料，湿度呈“上升-下降-上升-稳定”的变化特征，这是因为在在试验初期，空气中的水分会快速进入湿度传感器的探头，因而湿度快速升高，当湿度探头中的湿度与空气初始湿度相对稳定时达到曲线的拐点，随着冻结试验的进行，空气中水分凝结成冰，湿度降低，补水系统开始对土样补水，但水分从下层上升到上层需要一定时间，因而湿度由下降转为上升的时间有一定滞后，越靠上层，这个时间点越滞后，当空气中湿度达到相对稳定后，补水过程也随之变缓，湿度也基本达到稳定状态。

由图2(b)可知，黏土渠基在各个高度的湿度均保持在98%～100%，表明黏土渠基中的水汽迁移作用比较明显；而对于碎石填料，随着高度的增加，冻结20h后的空气湿度也越低，冻结实验结束后，试样最上部(9.5cm)的湿度分别为55%、55%、45%和52%，由此可见，当碎石等效粒径为1.5cm时，能够显著减少碎石填料渠基中的水分向上迁移的情况，可以在最大程度上减轻水分迁移带来的“锅盖效应”，从而降低渠道冻胀破坏发生的概率。

2.3 温度变化分析

试验得到的温度变化特征曲线如图3所示。

图3 温度变化曲线

由图3(a)可知，在冻结试验初期，试样不同高度处的温度基本在15℃左右徘徊，冻结试验进行1h后，各层温度显著降低，并表现为中间温度高，两端温度低的特征，上层和底层温度接近5℃，中部温度在10℃左右;当冻结试验进行2h后，上部温度下降至-3℃左右，而下部温度依然维持在5℃左右，中部温度则降低至5.5℃，当冻结试验进行8～20h后，温度由上而下依次递增，最上层土样温度降低至-7℃，中层温度下降至1.85℃，下部结构维持在5℃左右。试验发现：黏土渠基降温总时间为9.5h，而S2-S4试验组的降温时间分别为6.2、6.3、5.1和6.5h，这是因为黏土的密实度和水分含量较高，土体降温以热传导为主，因而所需时间较长，碎石渠基的孔隙率远大于黏土，不仅有热传导作用，空隙中的空气对流也会对温度产生影响，因此温度下降速度更快。

由图3(b)中可知：在补水条件下，温度随着试样由上而下逐渐升高，黏土渠基上部的温度下降比较明显，温度低至-11.5℃，下部温度为4℃，碎石填料渠基的上部温度相差较小，分别为-6.5、-5.8、-5和-4.9℃，下部温度则均为5℃；4组碎石填料中，0℃所对应的高度基本没有变化，因此对于地下水充足的北方寒区，在冬季采用碎石填料对渠基进行换填，能够改善渠基的温度场，从而防止渠道在冬季发生冻胀破坏。

3 结语

采用室内单向冻结试验方法，对粉质黏土渠基和不同粒径碎石填料渠基的冻胀破坏规律进行了对比研究，得出如下结论。

(1)随着冻结试验的进行，补水量呈两阶段增加趋势，第一阶段增长速率较快，第二阶段增长速率变缓；相同冻结试验下，黏土的补水量大于碎石填料，碎石粒径越大，补水量越小。

(2)底部土样的湿度要高于上部土样的湿度，当碎石填料等效粒径为1.5cm时，对水分迁移带来的“锅盖效应”的减轻效果最好。

(3)碎石填料温度下降时间明显小于黏土的温度下降时间，碎石填料上部和中部结构的温度明显高于黏土；采用碎石填料对渠基进行换填，能够改善渠基的温度场，防止渠道在冬季发生冻胀破坏。

(4)本文仅针对同一粒径填料进行冻结试验，但实际情况是碎石粒径并不均匀，这儿将在以后做进一步补充研究。