HDPE与混凝土衬砌板复合衬砌渠道抗冻胀性能试验研究

季 伟

(滨州市引黄灌溉服务中心，山东 滨州 256600)

0 引言

水资源是人类赖以生存的重要资源，对人类生存和经济发展发挥着不可或缺的重要意义和作用[1]。我国水资源分布存在严重的时空不均现象，进一步加剧了现代社会背景下水资源的供需矛盾。我国是农业大国，农业一直是水资源消耗大户，而农业用水效率低下不仅造成水资源的极大浪费，同时也成为制约我国北方缺水地区农村经济社会发展的重要因素[2]。在这一背景下，优化和改进节水灌溉系统具有十分重要的价值和作用。在农田水利工程建设中，小型农渠采用装配式渠道衬砌具有投资水平低、施工效率高、后期维护整修方便等显著优势，因此在具体工程实践中得到广泛应用，并成为农业节水研究的重要方向[3]。受到我国地理位置和气候因素的影响，超过半数地区的冬季气温在0℃以下，农田渠道在冬季低温期会面临冻融作用的影响。特别是北方寒区，冬季时间相对较长，渠道在经过冬春冻融循环后衬砌结构会发生冻胀破坏，不仅会影响农田水利工程的耐久性，还会造成水资源的浪费[4]。因此，改善装配式小型渠道冻胀现象，实现灌溉用水的节约就成为亟待解决的问题。

目前，灌溉渠道装配式衬砌一般采用混凝土材料制成，而混凝土材料具有抗压强度大、抗拉能力弱，在冻融循环作用下损伤较大的问题，且破坏后不易修复。针对这一问题，部分地区采用玻璃钢和PE(聚乙烯)等弹塑性材料修建衬砌渠道[5]。聚乙烯是乙烯经过聚合反应得到的产物，具有机械性能良好、制作成型难度低、化学稳定性好等优势，在生产和生活中有广泛的应用。目前，已有将高密度聚乙烯(HDPE)用于渠道衬砌工程的案例。结果显示，HDPE衬砌渠道有助于减轻基土冻胀力且不会发生断裂破坏，显示出良好的防渗抗冻胀效果。但是，HDPE衬砌渠道也有其不足之处，主要是衬砌结构厚度小、质量轻的特点，约束加固问题比较突出，一旦处理不当就会造成整体大位移变形，导致渠道破坏。基于此，有研究提出在渠道上部采用质量较大的混凝土衬砌板、下部采用具有良好抗冻胀性能的HDPE材料，并显示出良好的应用前景[6]。此次研究利用现场试验的方式，探讨HDPE与混凝土衬砌板复合衬砌结构参数对冻胀变形的影响，以便为相关工程应用提供借鉴。

1 试验设计与方法

1.1 试验区概况

此次现场试验的试验区为山东地区某灌区的3#支渠092号斗渠，试验区以玉米种植为主，每年需要利用渠道灌溉3～5次。试验区属于中温带大陆性半干旱气候，年平均气温为10.3℃，极端最高和最低气温分别为37.8、-39.5℃。年均降雨量为385mm，主要集中于6—9月份，一般占全年降水总量的7成左右。冬季土壤冻结深度0.9m，最大冻深1.3m，一般在11月中旬开始冻结，次年4月初开始解冻，冻结时间为125～140d。试验区的土壤主要是普通灌淤土，多为中到轻壤土，孔隙度52.1%，容重1.5g/cm3。试验区的地下水主要是第四系松散沉积物孔隙水，主要通过潜水蒸发和水平排泄。

1.2 试验段条件

此次试验选择的是092号斗渠斗口以南50～120m部位，试验段总长120m。该段渠道衬砌建成于2013年，经过多年运行之后破坏情况比较严重，因此灌区决定拆除重建，并在建设中采用HDPE与混凝土衬砌板复合衬砌结构。根据工程勘查和初步设计资料，该渠道的地下水埋深为2.5～3.2m，设计流量为1.29m3/s；渠道底部圆弧半径为0.8m，渠道坡降为1/1200～1/1500，渠坡倾角为20°，渠深为1.2m，渠道口宽为2.0m。

1.3 试验方案

结合复合衬砌结构的工程应用经验和相关理论，认为对灌溉渠道衬砌冻胀量影响较大的衬砌结构参数为HDPE厚度、混凝土衬砌板厚度、混凝土衬砌板长度以及混凝土标号[7]。结合数值模型背景工程的实际情况，设置玻璃钢厚度3、4、5、6、7、8mm；设置混凝土衬砌板厚度为30、40、50、60、70、80mm；设置混凝土衬砌板长度为50、55、60、65、70、75cm；设置C25、C30、C35、C40、C45共5种不同的混凝土等级水平进行试验。为了减少试验工作量，试验中采用固定3个变量的方式，研究第4个变量对渠道衬砌结构冻胀量的影响。具体试验方案见表1。

表1 试验方案设计参数

1.4 试验方法

为了避免不同试验方案之间的相互影响，试验中每种方案的试验长度为5m，并在各试验段的中间断面部位进行试验数据测试。根据试验研究的目的和内容，确定试验监测的主要衬砌结构的冻胀变形。

冻胀量的监测采用钢丝法，其具体过程为：①先钻孔埋设好钢筋桩和保护管，在埋设过程中保证牢固，以保护管和渠道衬砌结构变形的同步性，而钢筋桩不随冻胀作用变形。②在钢筋桩距离监测表面的一定高度刻槽并拉设钢丝，然后在监测表面设定监测点进行监测。③结合渠道走向以及渠道衬砌结构冻胀变形的特点，在监测断面设置4个监测点位，分别是底部中间(点位1)、渠坡靠近底部1/3处(点位2)、靠近顶部1/3处(点位3)、渠顶(点位4)。在试验过程中做好数据记录，试验结束后通过对试验数据的整理和对比分析获得不同因素对衬砌冻胀变形的影响。

2 计算结果与分析

2.1 HDPE厚度

研究中根据现场试验试验数据，计算获取混凝土衬砌板厚度为50mm、长度为60cm、混凝土等级为C35条件下不同HDPE厚度方案的渠道衬砌结构的冻胀量，结果如图1所示。从计算结果可以看出：在HDPE厚度相同的情况下，不同监测点位的冻胀量差异比较显著。其中，冻胀量最大的为点位3，其次是点位2和点位4，点位1的冻胀量最小，由此可见，HDPE衬砌结构的深度较大，且整体性较好，对冻胀量的控制比较有利。混凝土衬砌板和HDPE衬砌结构的交界部位的冻胀量最大，是复合衬砌结构的薄弱部位，在施工设计和建设中需要予以更多的关注。各监测点位冻胀量随着HDPE厚度的增加呈现出不断减小的变化特点，但是减小的速率也不断变小。具体来看，当HDPE厚度小于5mm时，冻胀量的减小幅度较大，大于5mm时的减小幅度较为有限。鉴于HDPE的成本相对较高，综合考虑成本和抗冻胀效果，建议采用厚度为5mm的HDPE。

图1 冻胀量随玻璃钢厚度变化曲线

2.2 混凝土衬砌板长度

研究中根据现场试验试验数据，计算获取HDPE厚度为5mm、混凝土衬砌板厚度为50mm、混凝土等级为C35条件下不同混凝土衬砌板长度方案的渠道衬砌结构的冻胀量，结果如图2所示。由图2可以看出，不同混凝土衬砌板的长度方案的冻胀量存在显著差异，说明混凝土衬砌板长度也是渠道衬砌结构冻胀量的重要影响因素，需要在工程设计建设中予以考虑。总体来看，各点位的冻胀量随着衬砌板长度的增加呈现出先减小后增加的变化特点。由此可见，过长或过短的混凝土衬砌板的长度都不利于冻胀量的控制。究其原因，长度过短时混凝土衬砌板的质量过小，不利于发挥其压重作用；长度过长则导致下部HDPE结构深度过小，不利于发挥其良好的抗冻胀性能。从具体的试验结果来看，衬砌板的长度为65cm时的复合衬砌结构的冻胀量最小，应为混凝土衬砌板的最佳长度。

图2 冻胀量随混凝土衬砌板长度变化曲线

2.3 混凝土衬砌板厚度

研究中根据现场试验数据，计算获取HDPE厚度为5mm、混凝土衬砌板长度为65cm、混凝土等级为C35条件下不同混凝土衬砌板厚度方案的渠道衬砌结构的冻胀量，结果如图3所示。由图3可以看出，随着混凝土衬砌板厚度的增加，各点位的冻胀量均呈现出不断减小的变化特点，同时减小的速率也不断减小。具体来看，当混凝土衬砌板的厚度小于60mm时，冻胀量的减小幅度较大，当混凝土衬砌板的厚度大于60mm时，冻胀量的减小幅度有限。综合额考虑工程的经济性和抗冻胀性能，建议采用60mm的混凝土衬砌板厚度。

图3 冻胀量随混凝土衬砌板厚度变化曲线

2.4 混凝土强度等级

研究中根据现场试验数据，计算获取HDPE厚度为5mm、混凝土衬砌板长度为65cm、混凝土衬砌板厚度60mm条件下不同混凝土等级方案的渠道衬砌结构的冻胀量，结果如图4所示。由图4可以看出，随着混凝土强度等级的提高，渠道衬砌结构的冻胀量呈现出不断减小的变化趋势。由此可见，提高衬砌板混凝土的强度等级有利于控制渠道衬砌结构的冻胀量。另一方面，不同混凝土等级条件下各点位的冻胀量变化量相对较小，说明混凝土强度等级对冻胀量的影响不大，不是冻胀量的主要因素。显然，大幅提高混凝土强度等级并不能获得显著的冻胀量控制效果，但是工程成本将显著提高。当然，过小的混凝土强度等级也会影响工程质量和耐久性方面的问题。因此，在工程设计中仍推荐采用水利工程中常用的C30混凝土。

图4 冻胀量随衬砌板混凝土强度等级变化曲线

3 结语

在寒区输水渠道工程运行过程中，冻胀破坏会严重影响输水渠道的质量和耐久性。针对这一问题，文章提出上部采用混凝土衬砌板，下部采用玻璃钢的复合渠道衬砌结构。该结构可以有效发挥混凝土和玻璃钢材料的优势，提升衬砌结构的抗冻胀性能，可以为衬砌结构设计提供新的思路和方向。同时，文章还利用现场试验的方式对衬砌结构设计参数进行优化，并提出最佳设计方案，可以为背景工程施工提供一定的指导。受到诸多因素的制约，文章仅探讨了衬砌结构参数的影响，而渠道冻胀变形破坏还和渠道的截面形状存在密切关系，在今后的研究中需要在这方面进行进一步的探索和分析，以便获得更为科学和全面的结论。