考虑渠基土渗透差异下高州灌区渠道衬砌结构冻胀特征研究

李茜然

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广东 广州 510635)

0 引言

输水干渠对农业生产具有重要价值,渠道输水安全受多方面因素影响,如衬砌结构、渠基土特性等[1-2]。衬砌结构冻胀特征反映了渠道低温条件下运营能力,对提高渠道衬砌结构抗冻胀设计具有参考作用。刘玉杰[3]、石娇等[4]为研究渠道衬砌结构静、动力特征,借助仿真建模计算方法,探讨了不同输水工况下衬砌结构的应力、位移以及动力响应特征,为结构设计及验算提供依据。肖旻等[5]、刘裕[6]为探讨衬砌结构冻胀特征,引入双参数地基梁模型方法,分析了衬砌结构的冻胀反力、冻胀量变化,丰富了衬砌结构抗冻胀设计参考成果。田金玉[7]、张辛洋[8]、杨春旗[9]为研究衬砌结构冻胀影响特性,设计了衬砌厚度、地下水位以及结构材料等不同因素方案,对衬砌结构的冻胀剪力、冻胀弯矩展开对比分析,有助于揭示衬砌结构冻胀影响机理。本文为研究高州灌区输水干渠衬砌结构冻胀特性,从渠基土渗透特性入手,探讨了衬砌结构的冻胀位移、冻胀剪力以及冻胀弯矩变化,为结构抗冻胀设计提供参考。

1 研究概况

1.1 工程介绍

高州水库灌区乃是粤西沿海地区重要农业水利设施,所辖地区南北长为53 km,东西宽为40 km,横跨高州、湛江多个城区与乡镇,对地区内农业灌溉、防洪排涝以及生态用水补充均具有重要作用。高州水库灌区现有耕地超过144万亩,在干、支渠还未投入运营前,农业灌溉保证率常年维持在45%上下,即使来水保证率95%下,农业缺水率仍然接近10%,造成农业生产效率降低,地表各类水工设施年调度农业用水不超过500万 m3。从高州水库灌区现状考虑,其所建设干渠长度超过120 km,且分布有石鼓支渠、茂名南、北支渠等重要干线工程,全灌区内渠道底面高程分布为20～35 m,智慧农业水利系统运营监测表明,在运营5～10 a内,高州水库灌区仍具有90%以上的输水效率,年调水量超过2 500万 m3,减少地区枯水季农业缺水率5%～8%。为有效保障高州水库灌区农业生产,不仅需要新建输水干、支渠工程,也在辖区内建设有多个梯级水利调节枢纽,包括有江边村拦河坝、积美拦河坝以及高岭拦河坝等梯级工程,有效调节鉴江、袂花江各支流水资源分布,特别是在夏季台风季节,对缓和湛江、高州等地区洪涝灾害有所帮助。在高州水库灌区梯级水工设施以及茂名东、西干渠工程投入运营后,2021年查帕卡台风过境所引起的超强降雨,经各级节制闸以及干、支渠调度,减少农田受灾面积超过80%。不仅于此,农业生产效率不仅与输调水密切相关,且与地区自然环境有所关联,高州灌区各干、支渠途径渠基土包括有松散性碎石土、粒径较细砂土、级配不良的壤土等,这也是影响高州水库灌区满负荷运营的重要因素,全干渠衬砌结构无法匹配多变性的渠基土物理特征,特别是冬季较低温度下部分土体冻胀差异,引起衬砌结构局部失稳与渗流活跃,导致在冬季枯水期反而无法提高输水效率。图1为高州水库灌区石鼓支渠全断面示意,仅该渠道2+517～7+485渠段内,就有超过四种不同粒径的粉质粘土,且各类型土体的渗透系数具有显著差异。为确保高州水库灌区干、支渠输水能力匹配设计值,探讨渠基土影响渠道衬砌结构冻胀特性很有必要。

1.2 研究方法

为确保计算结果可靠性,以石鼓支渠典型断面衬砌结构为分析对象,且在考虑支渠梯形断面的前提下,引入渠道冻胀弹性地基梁模型[10-11],其数学微分解如式(1)所示,而冻胀力学模型如图2所示。

(1)

式中:y指冻胀量,单位m;EI指结构抗弯截面系数,单位Pa·m4;kf指冻胀反力,单位Pa/m;r(x)指荷载,单位N。

图1 石鼓支渠全断面示意

图2 冻胀力学模型

在考虑渠基土冻胀变形与其自身物理力学参数关系的前提下,引入冻胀反力系数表述冻胀量引起的衬砌结构冻胀应力失衡现象,式(2)为冻胀反力系数与渠基面特征关联式。

kf=βk

(2)

式中:β指工程系数,一般不超过1;k指冻胀力,单位N。

引入Winkler假设理论,联立(1)式建立起地基弹性梁冻胀本构方程,如下式:

(3)

(4)

经数学微分方程通解运算,可获得梯形渠面衬砌结构的冻胀量、弯矩以及冻胀应力方程解,其中冻胀量按照位移分解原则,分别为切、法向冻胀量,如下式:

(5)

式中:yn(x)、yτ(x)分别指切、法向冻胀量,单位m;H指冻土层冻结深度,单位m;m指边坡土层系数,无量纲。

参照地基弹性梁材料力学平衡式,求解获得了衬砌结构冻胀剪力、弯矩表达式,如下:

(6)

(7)

式中:yf(x)、Mf(x)分别指冻胀剪力与弯矩,单位分别为N、N·m;C1、C2、C3、C4均为常数。

基于上述渠道地基弹性梁衬砌结构冻胀计算理论,采用COMSOL仿真平台开展渠道衬砌结构冻胀仿真分析,图3为高州灌区石鼓支渠8+252渠面典型剖面,渠高度为250 cm,渠底宽度为200 cm,两侧衬砌坡板投影长度均为250 cm,所使用的衬砌结构材料均为C30防渗混凝土,泊松比为0.26,衬砌坡板与底板厚度均为30 cm,渠底下方地下水位距离为2.4 m。从石鼓支渠沿线渠基土物理力学参数分析得知,其渗透系数分布为2×10-7～1×10-4cm/s,这也是引起渠道断面冻胀分布不均衡的内因,故本文从渠基土渗透系数的差异性出发,探讨各类型渠基土下衬砌结构冻胀特征变化,为干渠工程防冻胀设计提供依据。基于石鼓支渠运营实际,设定渠基土渗透系数方案分别为2×10-7cm/s、2×10-6cm/s、2×10-5cm/s、2×10-4cm/s、1×10-4cm/s,对比各方案下衬砌结构冻胀表征。

图3 石鼓支渠8+252渠面典型剖面(单位cm)

2 渠基土特征对衬砌结构冻胀位移影响

基于不同渠基土渗透系数方案下的冻胀仿真计算,获得了衬砌结构渠底板、渠坡板处冻胀位移变化特征,由图4可看出,不论是渠底板或渠坡板,其冻胀位移均呈对称式分布特征,横断面上两端点处冻胀位移较为接近,峰值位移位于断面中部,渠底板、渠坡板峰值位移分别位于断面1.1 m、1.125 m,在渠基土渗透系数变化过程中,峰值位移断面均未改变。当渠基土渗透系数愈大,冻胀位移愈小,在断面0.7 m处渠基土渗透系数2×10-7cm/s方案下渠底板冻胀位移为6.48 mm,而渠基土渗透系数2×10-6cm/s、1×10-4cm/s两方案中同断面处冻胀位移较前者分别减少了32%、62.9%。由峰值位移对比亦可知,在渠基土渗透系数2×10-7～1×10-4cm/s方案中,分布为2.54～6.84 mm,随渠基土渗透系数每递增1个量级,则渠底板峰值位移平均减少了24.7%;相应的渠坡板峰值位移分布为5.45～16.42 mm,随渗透系数梯次量级变化,其峰值位移平均降低了27.8%。另一方面,渠坡板冻胀位移高于渠底板,且随渠基土渗透系数增大,渠坡板冻胀位移较之渠底板结构差幅愈小;渠基土渗透系数2×10-7cm/s方案中两者差距为1.4倍,而在渠基土渗透系数2×10-5cm/s、1×10-4cm/s中分别为1.2倍、1.1倍。对比之下可知,在渠基土渗透系数变化过程中,渠底板冻胀位移受之影响敏感度弱于渠坡板,且后者冻胀危害更高于前者。

不仅如此,在渠基土渗透系数五个方案中,冻胀位移变化具有差异性特征,当渠基土渗透系数为2×10-7～2×10-5cm/s时,渠底板冻胀位移受削弱较显著,整体断面上冻胀位移降低明显,峰值位移点更“尖锐”,而在渠基土渗透系数2×10-4～1×10-4cm/s时,冻胀位移差距较小,峰值位移所在断面前、后均较平缓,冻胀位移较接近。同样在渠坡板中亦是如此。分析认为,渠基土渗透系数不会改变冻胀位移在断面上变化趋势,但会影响衬砌结构冻胀位移变幅态势,特别是在渠基土渗透系数处于较高时[5,12]。

3 渠基土特征对衬砌结构冻胀应力影响

3.1 冻胀剪力

基于地基弹性梁本构模型冻胀计算,可获得衬砌结构冻胀剪力表现特征,如图5。从图中可看出,不同渠基土渗透系数方案下,渠底板、渠坡板冻胀剪力变化具有差异性。当渠基土渗透系数为2×10-7～2×10-5cm/s时,断面上渠底板冻胀剪力成稳定递增态势,渠底一侧能够达到峰值冻胀剪力;而在渠基土渗透系数为2×10-4～1×10-4cm/s时,冻胀剪力呈递增直至稳定状态。相比之下,渠坡板冻胀剪力特征又有所不同,其在渠基土渗透系数为2×10-7～2×10-5cm/s时,呈“下凹”变化特征,渠坡板的两端头具有峰值冻胀剪力,而在断面中部1.375m处具有谷值剪力;当渠基土渗透系数增大至2×10-4～1×10-4cm/s时,相应的渠坡板冻胀剪力具有较稳定特征,全断面冻胀剪力维持在稳定水平,分别为1.18 MPa、0.81 MPa。由此可知,不同渠基土渗透系数方案下,受渠基土保水能力等物理特性差异[11,13],易引起渠道断面衬砌结构冻胀剪力变化差异。

图4 冻胀位移变化特征

对比渠底板、渠坡板冻胀剪力可知,在渠基土渗透系数2×10-7～2×10-5cm/s三个方案中,当断面每递进0.1 m时,渠底板冻胀剪力分别平均提高了9.5%、8.3%、7.1%,渠基土渗透系数愈高,不仅冻胀剪力值愈低,且冻胀剪力在断面上变幅也愈小。同样在渠基土渗透系数2×10-4～1×10-4cm/s两方案中亦是如此,渠底板峰值冻胀剪力分别为1.27 MPa、1.17 MPa,在渠道断面上变幅也以前者更显著。在渠基土渗透系数2×10-7～2×10-5cm/s方案中,渠坡板峰值冻胀剪力依次为2.24 MPa、2.1 MPa、1.9 MPa,渠底、渠顶两处断面冻胀剪力具有对称一致特点;随渠基土渗透系数递增,渠坡板冻胀剪力减小,且断面上冻胀剪力表现更趋稳定状态。

图5 冻胀剪力变化特征

3.2 冻胀弯矩

同理在冻胀力学仿真计算过程中,也可获得衬砌底板、坡板处冻胀弯矩变化特征,如图6。由图中弯矩变化可知,断面上渠底板与渠坡板的弯矩变化具有显著差异,渠底板上弯矩呈先增后减并至稳定,峰值弯矩位于断面0.3 m处;渠坡板冻胀弯矩均为先增后减变化,峰值弯矩位于断面1.25 m处。不论是渠底板或渠坡板,其冻胀弯矩均与渠基土渗透系数为负相关特征。在渠底板处,渠基土渗透系数为2×10-7cm/s时,峰值弯矩为76.6 kN·m,而渠基土渗透系数2×10-6cm/s、2×10-4cm/s、1×10-4cm/s方案下的峰值弯矩较之前者分别减少了22%、52.7%、63.3%,随渠基土渗透系数每递增1个量级,渠底板峰值冻胀弯矩平均下降了22.1%,且在渠基土渗透系数变化过程中,各方案间渠底板冻胀弯矩变幅较为接近,与平均降幅也一致。不可忽视,渠坡板冻胀弯矩随渠基土渗透系数变化具有幅度差异,渠基土渗透系数2×10-7～1×10-4cm/s下渠坡板峰值弯矩分布为75.4～229.4 kN·m,随渠基土渗透系数梯次1个量级变化,其峰值弯矩平均减少了26.8%,而在渠基土渗透系数2×10-7～2×10-5cm/s中,峰值弯矩的变幅可达52.8%,方案间平均降幅可达33.5%,即渠基土渗透系数对渠坡板弯矩影响具有不均衡性。综合分析可知,在不同渗透系数渠基土渠段,应着重控制渠坡板防冻胀措施[12,14],避免渠坡板冻胀弯矩破坏。

图6 冻胀弯矩变化特征

4 结语

(1)渠底板与渠坡板的冻胀位移在断面上均为对称分布,峰值位移分别位于渠道中部断面1.1 m、1.125 m处;渠基土渗透系数愈大,则衬砌结构冻胀位移愈小,且不同渗透系数方案下冻胀位移变幅差异性显著,同时渠坡板冻胀位移高于渠底板。

(2)渠底板、渠坡板冻胀剪力在渠基土渗透系数影响下具有差异性,渠基土渗透系数2×10-7～2×10-5cm/s时,渠底板、渠坡板冻胀剪力表现为一致,而在渗透系数2×10-4～1×10-4cm/s时为另一种表现特征;渠基土渗透系数愈高,剪力值愈低,且渠道断面上变幅愈小。

(3)渠底板、渠坡板冻胀弯矩分别呈“先增后减直至稳定”、“先增后减”;弯矩值与渠基土渗透系数均为负相关特征,随渠基土渗透系数每递增1个量级,渠底板、渠坡板峰值冻胀弯矩分别平均下降了22.1%、26.8%,且渠坡板弯矩在各方案间降幅具有不均衡性。