石拉渊引河灌区渠道不同衬砌形式下冻胀特征研究

刘玉奇

（临沂市河东区水利工程保障中心,山东 临沂 276034）

1 引言

输水渠道的运营可靠性与上游供水通道有关,同时也与自身防渗能力以及结构安全密切相关。本文为探讨石拉渊灌区输水渠道不同衬砌形式下冻胀危害,从衬砌结构透固体宽度、衬砌形式两方面分析,为渠道衬砌方案设计优化提供了依据。

2 研究概况

2.1 工程介绍

石拉渊灌区位于鲁东南临沂境内,灌区内拥有1 座大型水利枢纽,为石拉渊拦河坝水利工程,控制流域面积超过3300 km2,单次调水流量可达372.3 万m3,占石拉渊灌区水资源量的75%。根据灌区资料得知,石拉渊灌区干渠为0+000～4+969、11+269～14+439、15+304～40+600 段,总长为85.5 km,支渠长度超过5 km 的共有15 条,据估算2025 规划年灌区干、支渠年过流超过3500 万m3,这对部分干、支渠的运营带来较大挑战。一方面需要提高石拉渊灌区干、支渠的输水能力适配上游各水工设施设计标准,另一方面渠道自身输水安全同样不可忽视。从灌区输水渠防渗体系以及衬砌结构两个因素考虑,前者效果较好,渠坡内最大渗透坡降以及土层含水量等均不超过允许值,但衬砌结构的选型以及与其他渠面的适配性,乃是目前石拉渊灌区渠道最为棘手的问题。

2.2 研究方法

为探讨石拉渊灌区不同衬砌形式下渠道安全可靠性,以渠道冻胀特征为评价对象,分析在同一渠面但不同衬砌形式下渠道冻胀特征变化。实质上,衬砌结构研究对象存在有热力耦合场,其热传导满足下式[1]：

式中：x、y分别为水平向、竖向导热系数；T 为温度；x、y 分别为冻胀面的水平、竖向。

基于结构静力平衡体系,列出下式：

式中：μ、E 分别为衬砌材料物理特征参数,泊松比、模量；εx、εy、γxy分别为X、Y 向正应变以及剪应变；σx、σy、τxy分别为X、Y 向正应力以及剪应力；α为方热传导系数；Δt为温度梯度。

基于上述热力耦合方程,对石拉渊灌区典型渠道开展衬砌结构分析,石拉渊灌区8+125 处断面几何形式,渠底宽为4 m,渠面总长为12.25 m,渠深为3.5 m,两侧渠坡均为1/1.75,衬砌底板、坡板结构厚度均为60 mm。渠基土钻孔资料显示为粉质砂土,厚度为3.5 m,渠底、渠坡板土层冻胀率分别为2.8%、3.6%,地下水位按照1 m埋深设定,渠顶水平向外延2 m,左、右两侧渠坡分别视为阴、阳坡。基于上述渠道几何分析,分别设定有全衬砌、渠底中部衬砌、渠底边部衬砌（阴坡）、渠坡底部衬砌（阳坡）四种结构形式,进而评价渠道衬砌结构冻胀变化特征。

在计算模型中设定阴、阳坡的温度边界分别为-15℃、-5℃,渠底为-10℃,而在左、右侧采用绝热边界,无热能传导。四种模型的衬砌结构均为透固体,但透固体宽度还需要优化,初始比较时均设定为2.5 m,但在透固体宽度设计方案中,借鉴相似工程分别设定有1 m、2 m、3 m、4 m、5 m 共五种计算方案,图1 为两种典型衬砌方案下计算模型。

图1 典型衬砌形式下渠道特征

3 不同衬砌形式下渠道冻胀特征

3.1 冻胀位移

基于四种不同衬砌形式下冻胀特征计算,获得了衬砌底板断面上冻胀位移变化特征,全断面按照间距0.2 m 划分计算特征点,见图2。由图2 可知,四种衬砌方案下衬砌板上冻胀位移变化总体上具有相似性,均为“双峰”式冻胀位移特征,但各方案中“双峰”冻胀位移所在断面各有区别。渠坡底部方案中,其一次峰值冻胀位移位于断面1 m,达31.8 mm,二次峰值冻胀位移为24 mm,位于断面3.2 m,而全衬砌、渠底边部、渠坡底部一次峰值冻胀分别位于断面1 m、1.4 m、2 m,而二次峰值冻胀位移分别为19.34 mm、48.1 mm、38.8 mm。总体来看,渠坡底部方案下一、二次峰值冻胀位移间隔较大,分别靠近两侧渠坡,而渠底中部衬砌方案下两次峰值冻胀位移间隔最短,为2 m～3.2 m 断面区间。另一方面,从峰值冻胀位移值宏观对比来看,全衬砌、渠坡底部两方案下一、二次峰值冻胀位移均值分别为24.9 mm、26.7 mm,且此两衬砌方案中一、二次峰值冻胀位移值具有较显著差幅,分别达36.5%、31.9%；但渠底中部、渠底边部两方案中,“双峰”冻胀位移值差距较小,分别为0.2%、1.3%。综合来看,全衬砌、渠坡底部方案下冻胀位移值低于其他两个方案,特别是后者方案下断面峰值冻胀位移具有较大缓冲区,二次峰值冻胀影响也弱于一次。

图2 渠道断面冻胀位移变化特征

3.2 冻胀力

根据冻胀特征仿真计算,提取获得了各衬砌方案下渠面冻胀力变化与分布特征,图3为衬砌板断面冻胀力变化特征。从图3 可看出,与冻胀位移变化趋势相似性不同,各方案下冻胀力的变化各有区别特征：全衬砌方案下具有“单峰”冻胀力,且在峰值冻胀力后呈现较稳定冻胀力水平；渠底边部方案中具有“双谷”冻胀力 ,分别在断面1 m、3 m 处具有谷值冻胀力；渠底中部方案中具有“双峰”冻胀力,两次峰值冻胀力分别位于断面1 m、3 m,达1.62 MPa、1.58 MPa；渠坡底部方案下全断面冻胀力变幅较小,仅在断面1.2 m～2.8 m 处具有一定波幅,并达到该方案下的峰值冻胀力,为2.1 MPa。从冻胀力变化特征来看,渠底边部、渠底中部两方案下具有过多的不稳定因素,冻胀力出现过大的峰、谷交替,不利于衬砌结构应力稳定[2-3]。相比之下,渠坡底部方案下冻胀力较稳定,也更利于渠道外部措施抗冻胀设计。

图3 各衬砌方案下渠面冻胀力变化特征

冻胀仿真特征的计算不仅可获得应力、位移等参数,还可获得渠道结构面上温度场分布特征,见图4。从图4 可知,各方案下温度场分布具有一致性,且左侧渠坡内温度梯度高于右侧渠坡,即阴坡温度场梯度敏感性强于阳坡。对比温度梯度值可知,峰值梯度均位于冻结层边界,且各方案下梯度值均为恒等。分析表明,不论采用何种衬砌方案,渠道温度场分布均为一致性,温度梯度及分布特征只受阴、阳坡影响。

图4 渠道温度场分布特征

4 不同结构设计下渠道冻胀特征

由四种衬砌方案的冻胀特征对比,综合遴选认为渠坡底部方案下抗冻胀能力最强,更适配石拉渊灌区渠道设计,但其渠坡底部透固体宽度设计参数还需优化,同等条件下计算获得了不同透固体宽度方案的渠道冻胀位移变化特征,见图5。

图5 衬砌透固体宽度设计参数与冻胀位移关系

由图5 可知,透固体宽度改变,一定区间方案内仍具有冻胀位移变化一致性,但超过透固体宽度3 m 时,则冻胀位移的变化趋势朝不可预测及不可控方向发展[4]。在透固体宽度不超过3 m 时,渠道冻胀位移均为“双峰”特征,且一、二次峰值冻胀位移间隔分布在1 m～3 m。在透固体宽度为1 m～3 m时,一次峰值冻胀位移依次为17.1 mm、17.5 mm、17.7 mm,而二次冻胀位移较之前者分别减少了25.2%、23.7%、24.2%,降幅均超过了20%,渠道断面上衬砌结构冻胀效应呈减弱态势。当透固体宽度为4 m、5 m 时,两方案中冻胀位移均有不一致性,前者方案内冻胀位移在断面2.2 m 后呈现长期较高水平冻胀位移变化,而后者方案冻胀位移变化呈“U”型,左、右侧渠坡底部处冻胀位移值分布较高,谷值冻胀位移为22.86 mm。五个方案下冻胀位移值对比可知,透固体宽度低于3 m 时,冻胀位移值基本较为接近,而透固体宽度4 m、5 m方案下冻胀位移值整体水平得到提高,透固体宽度5 m 方案下谷值冻胀位移甚至都超过了透固体宽度1 m～3 m 下的峰值冻胀位移。考虑抑制衬砌结构冻胀能力,透固体宽度控制在1 m～3 m 内更为合理。

为确保透固体宽度方案评价结果可靠性,依次从透固体宽度1 m～3 m 方案内提取出冻胀力分布特征,见图6。不可否认,在图6 中,冻胀力分布变化特征具有相似性,渠底、衬砌底板以及衬砌坡板处冻胀应力均为一致,而在透固体宽度4 m、5 m 中渠底处具有较大区域冻胀应力集中,渠底面临较大的冻胀危害。综合各方案冻胀特征,石拉渊灌区渠道设计为渠坡底部透水衬砌,且透固体宽度控制在1 m～3 m最合理。

图6 渠道冻胀力分布特征

5 结论

（1）四种衬砌形式下冻胀位移变化均具有“双峰”冻胀位移值,但各方案中峰值冻胀位移的间隔、量值均有一定区别,以全衬砌、渠坡底部两方案下冻胀位移值为最低,且渠坡底部方案下一、二次峰值冻胀位移值具有较显著降幅特征。

（2）四种衬砌形式下断面冻胀力变化各有差异, 全衬砌、渠底中部方案下分别为“单峰”与“双峰”冻胀力特征,渠底边部具有“双谷”冻胀力,而渠坡底部方案冻胀力整体水平也低于其他三种形式。

（3）不同衬砌形式下渠道温度场分布具有一致性,阴坡温度场梯度敏感度高于阳坡。

（4）透固体宽度为1 m～3 m 时,冻胀位移变化以及冻胀应力分布为一致性,冻胀位移均具有“双峰”特征,且此三方案中冻胀位移值水平较为接近；透固体宽度4 m、5 m 下冻胀位移变化具有无序性,冻胀位移值亦高于宽度1 m～3 m方案下,且在渠底部具有冻胀应力集中效应。

（5）综合比较认为,渠道衬砌最优方案为渠坡底部透水,透固体宽度为1 m～3 m。