冻胀对混合衬砌型梯形渠道的影响

陈 凯

(新疆昌源水务集团有限公司,乌鲁木齐 830000)

0 引 言

输水渠道是灌溉工程的重要组成部分,渠道的安全运行直接关系到灌区的农业生产和社会经济发展。在寒冷地区,输水渠道面临着严重的冻胀破坏问题,给灌区带来巨大的经济损失和生态风险[1]。为防止输水渠道的冻胀破坏,常用的方法是采用衬砌结构来保护渠道。刚性衬砌具有强度高、耐久性好、维护费用低等优点,但存在着施工难度大、成本高、易开裂等缺点[2];柔性衬砌具有施工方便、成本低、适应性强等优点,但存在着强度低、易老化、易损坏等缺点[3]。为此,研究人员提出了许多解决方案,其中包括采用刚柔混合衬砌结构[4]。该结构采用刚性和柔性两种材料的组合,既能够保证渠道的稳定性,又能够缓解冻胀对渠道的影响[5-6]。

刚柔混合衬砌结构在季节冻土区的冻胀机理尚不清楚,为了探明这些问题,本文以梯形截面为例,采用室内试验方法,对东港市土壤改良试点的灌溉与排水工程冻土区刚柔混合衬砌梯形渠道的冻胀机理进行系统分析,为渠道工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况

东港市土壤改良试点的灌溉与排水工程位于坡度为6°～12°的丘陵地区,年径流量105 000×104m3。灌溉与排水工程的主要内容是排涝沟的衬砌和配套设施的建设。排涝沟的衬砌方式有4种,分别为预制混凝土梯形槽、现浇混凝土梯形槽、现浇混凝土梯形沟和浆砌石挡土墙,总长度28 929m。配套设施包括路涵、农道桥、过水路面和预制混凝土管,总长度1 593m。

2 试验准备

本文基于土渠基础的稳定性和已有的研究成果,采用等厚板模型,对混凝土衬砌板进行设计。混凝土衬砌板的厚度定为12cm,采用C20级混凝土,其弹性模量2.3×104MPa。为了防止水渗透,渠道坡板和底板下方铺设复合土工膜,同时采用现浇混凝土作为护坡材料。渠道边坡经过蛙式打夯机的夯实处理,确保干密度不低于1.6g/cm3,土壤含水率在16%～23%之间。渠道设计流量21m3/s,最大流量26 m3/s。

本文对该渠道的结构性能进行分析和评价。为了评估复合衬砌渠道在实际工作环境下的冻胀行为,试验段在进行冻胀试验之前,按照设计规范进行水位试验。渠道两侧的百叶箱内安装有温度计、最高温度计和最低温度计,用于每日记录气温的变化情况。

为了研究混合衬砌渠道的土壤温度和冻土层厚度的变化,选择两个长度均为300cm的试验段。在渠道的左岸、渠底和右岸各布置3个测温点,分别用A、B、C和E、F、G表示,见图1。此外,在渠底安装一个测温点D。每个测温点均采用WS-4型多层次遥感土壤温度计,可同时测量不同深度的土壤温度。每天收集土壤温度数据,并计算每个测温点的日最高和最低土壤温度。

为了探究渠道冻土的变化规律,在地温测试段的基础上,增设冻深测试段,共有7个测试点。使用LQX-DT型冻土器作为冻深测量仪器,将其垂直埋入土壤中,与地面齐平。在冬季冻结过程中,每天早8时记录冻深数据,并根据这些数据绘制不同测试点的冻深变化曲线。同时,为了分析渠道的冻胀应力变化规律,设计一个长400cm的冻胀应力测试段,其测试点的位置和数量与冻深测试段一致。使用应变式荷重传感器来测量冻胀应力,每天对每个测试点进行一次测量,每个测量面积为4.0m2。通过上述方法,可以探究渠道在冻融循环中的应力演变特征。

本研究目的是通过试验手段,探讨复合衬砌渠道在冻融循环下的变形特征。为此,建立一个长500cm的冻胀变形试验段,并在渠底中心、设计水位1/3处、设计水位2/3处、设计水位和渠道超高保护层中心处设置9个观测点。利用预埋固定件和水准仪、经纬仪相结合的方法,分别测量水平方向和垂直方向的位移,并通过向量运算,求得渠坡方向的位移,即复合衬砌结构的冻胀量。同时,建立一个长2 000cm的土壤水分变化试验段,观测点的位置与地温试验段一致。根据不同的观测时间,选择适当的观测点数量。使用土钻在混合衬砌体下不同深度处采集土样,并用干燥法确定土壤的含水率。每次采样后,用原土料填充原位,以保证含水率的测量结果与实际情况一致。下次采样距上次采样距离为30～50cm。

3 结果与分析

3.1 气温及不同深度地温变化规律

图2为试验区在整个冻融周期(140d)内的极端气温变化情况。极端气温经历了两次低点和一次高点,第一次低点出现在2020年1月8-10日,最低气温为-25℃;然后气温有所上升,直到2020年1月30日为-11 ℃;之后气温又逐渐下降,在2014年2月18日达到-24℃,这是第二次低点;接下来气温又开始波动升高,在2020年3月19日最低气温上升到1℃。在整个冻融周期中,气温呈现出波动的变化特征。

图2 试验区气温变化

刚柔混合衬砌渠道是一种具有抗渗性能的新型渠道结构,它利用复合土工膜作为渠道的防渗层,有效解决了渗漏、冻裂等问题。图3为刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温变化情况。从图3可以看出,阴坡的最低地温最低,阳坡的最低地温最高;阴坡的最低地温达到-25℃,阳坡的最低地温达到-21℃。刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温变化趋势与气温变化趋势相同。即当气温下降或上升时,刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温也随之下降或上升。与图2相比,各部位的最低地温也有两个波谷和一个波峰,第一个波谷出现在2020年1月10-11日。各部位的最低地温变化与日最低气温变化比较相似。对比气温和最低地温的变化情况可以发现,最低地温的变化稍微滞后于气温的变化。

图3 渠道不同部位地温

3.2混合衬砌渠道冻深、冻胀量及冻胀力变化

采用DTM-2型冻土器来检测冻土的变化情况,把它沿着垂直于测点平面的方向埋入地下。在冻结过程中,每天对冻土器进行观测,测量各测点的冻深值。图4为刚柔混合衬砌渠道不同测点的冻深变化曲线,表明冻土的生成和演化过程。

图4 渠道不同测点冻深

采用固定件水准仪和经纬仪,分别对水平位移和垂直位移量进行测量,以得到冻胀变形数值。在渠道四周10m范围内,设置深1.8m的基准高程点。该深度低于历史最大冻深(1.72m)的实测值,可避免冻拔现象对测量结果的影响。为了利用经纬仪进行观测,在渠道中心选择3个固定点作为仪器的放置点,每次观测时,都要保证经纬仪准确放在固定点上,然后依次记录特征点的角度。

为了测量冻胀应力,在自冻结过程中,每天利用荷重传感器记录数据。以4.0m2的混凝土衬砌渠道为试验对象,其冻胀应力的最大值发生在阴坡的1/3高度处,达到178kPa。渠道底部的冻胀应力也较高,为163kPa。在冬季,混合衬砌渠道的阴坡和渠底受到严重的冻胀作用,造成衬砌结构的变形和位移。其中,阴坡的E点和渠底的D点是冻胀位移最大的两个点,分别为13.1和11.2cm。其次是阴坡的F、G两点,其位移也超过9cm。阳坡的位移则相对较小。随着气温的升高,冻胀位移有所缩小,但仍有一定的残留。

在原型渠道冻胀试验中,复合衬砌渠道受到渠基土壤冻胀力的影响,其大小与最低地温有关。阴坡E点和底部D点的复合衬砌结构承受最大的冻胀力,分别为178和163kPa;而阳坡的冻胀力相对较小。最低地温达到极值时,冻胀力也随之达到最大值,且主要集中在渠道阴坡底部上方1/3的区域。随着最低地温的升高,冻胀力逐渐减小,最后稳定在一个负值,这是由于最低温度升高导致渠基土壤融化下沉所致。

3.3 土壤水分变化

为了研究刚柔混合衬砌渠道在季节冻土区的冻胀机理,本文对渠基土壤在不同位置和深度的含水率进行测试和计算。图5为冻结期不同测点含水率随土层深度的变化趋势。从图5可以看出,在冻结期,无论是阴坡、阳坡还是渠底,都呈现出相同的水分变化规律。即在0～60cm土层内,含水率随着深度的增加而增加;在60～120cm土层内,含水率随着深度的增加而减少。深度60cm处是土壤水分最高的地方,也是土壤冻结锋面所在,这使得渠底和阴坡受到较大的冻胀作用。

图5 不同测点含水率与深度的关系

3.4柔性复合土工膜的变形特征和强度变化

复合土工膜是一种能够防止渗漏和抵抗冻胀的柔性材料,它能够适应基础的变形。为了检测一个冻融周期后复合土工膜的性能变化,在试验段的不同位置随机抽取复合土工膜的试样,包括阳坡、渠底和阴坡各3个。使用TZY-1型土工合成材料综合测定仪,对试样的强度和变形进行测试。经过一个冻融周期后,复合土工膜的剩余强度和延伸率的变化见表1。根据测试结果,复合土工膜在经历一次冻融循环后,由于冻胀力的影响,其纵向和横向的抗拉强度分别降低9.4%和8.1%,最低值分别为4.9和4.4 kN/m;其伸长率下降8%,损伤率为5.6%。但材料的强度和极限伸长率仍然高于90%,表明复合土工膜的性能损失较小,不会对工程的安全造成影响。

表1 复合土工膜参数

4 结 论

本文以梯形截面为例,采用室内试验方法,对东港市土壤改良试点的灌溉与排水工程冻土区刚柔混合衬砌梯形渠道的冻胀机理进行了系统的分析。结论如下:

1)刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温变化趋势与气温变化趋势相同。即当气温下降或上升时,刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温也随之下降或上升。

2)随着最低地温的升高,冻胀力逐渐减小,最后稳定在一个负值,这是由于最低温度升高导致渠基土壤融化下沉所致。

3)深度60cm处是土壤水分最高的地方,也是土壤冻结锋面所在,这使得渠底和阴坡受到较大的冻胀作用。

4)复合土工膜在经历一次冻融循环后的性能损失较小,不会对工程的安全造成影响。