混凝土鉸接塊在燈塔灌區飲水總干渠凍害防護工程中的應用

(遼寧省水資源管理集團有限責任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程背景

燈塔灌區位于遼寧省遼陽市境內，是遼寧省中部的大型灌區之一。燈塔灌區渠首引水工程位于葠窩水庫下游9km處，控制面積420km2，有效灌溉面積2.17萬hm2[1]。灌區建成于1976年，經過30年的運行，渠道滲漏破壞情況比較嚴重，亟待進行加固改造，提高水資源的利用效率。

燈塔灌區位于中國中高緯度地區，冬季漫長寒冷，冰凍期持續長達半年左右[2]。多年平均氣溫2～5℃，極端最低氣溫-38.70℃，冬季凍深約1.20～2.50m。試驗段內渠道沿線表層分布有一定深度的淤泥質土，凍脹性十分明顯。研究區地下水主要是第四系孔隙潛水和弱承壓水，含水層巖性分布連續而且穩定。渠道渠堤土質較好，主要由低液限黏土構成，最大滲透系數4.12×10-5cm/s。

燈塔灌區飲水總干渠主要采用漿砌石剛性結構襯砌，其優點是具有良好的防滲效果，可以有效減輕渠道的滲漏損失。但此種結構屬于貼面式結構，對下臥土體的不均勻變形適應能力差，隨著凍融循環，會發生整體性破壞，影響渠道的安全運行[3]。此外，高寒地區的土質渠道襯砌，極易受高地下水位揚壓力的作用造成邊坡失穩。因此，研究新型柔性襯砌結構，強化渠道邊坡防護具有重要意義[4]。

2 混凝土鉸接塊結構室內模型試驗

模擬實驗地段，選擇燈塔灌區飲水總干渠2+000～2+125段，位于渠首下游約2km處。

2.1 試驗材料

試驗樣土全部取自燈塔灌區飲水總干渠試驗段現場，土樣試驗嚴格按照《土工試驗規程》(SL 237—1999)規定進行，模型試驗參數見表1。

表1 模型試驗參數

試驗中采用0.45m×0.44m×0.15m混凝土鉸接塊，并由鋼絞線將規格一致的預制混凝土塊連接成一個整體，混凝土鉸接塊的結構如圖1所示。利用混凝土鉸接塊設計的渠道襯砌是一種典型的柔性結構，不僅對下部土體的不均勻變形有較強的適應性，還有利于補給地下水，是一種生態護岸結構。混凝土鉸接塊的工廠預制強度等級 C30、F300、二級配，在預制成型時需要保證質量和養護條件。

圖1 混凝土鉸接塊的結構示意圖(單位：mm)

2.2 模型布置與設計

混凝土鉸接塊結構的室內試驗設置了完備的測試手段，能夠對試驗過程中的溫度場、位移變形進行實時監測。根據模型試驗的要求和試驗段渠坡實際情況，設定試驗模型的幾何比尺為1∶4、溫度比尺為1∶1、時間比尺為1∶16[5]。

2.3 試驗結果分析

2.3.1 溫度場

試驗結果顯示，渠道淺層位置混凝土鉸接塊襯砌下的土體，其溫度場受外界環境溫度的變化比較明顯，具有較高的響應度。總體而言，在20cm以內的土層溫度場變化均顯示出溫度降低、保持穩定和回升的變化特征。深度在 20cm 以下的土體受外界環境溫度的影響不明顯，響應度較低，總體上為持續下降，但始終保持在0℃以上，直到試驗末期才有小幅度回升。

2.3.2 凍脹融沉

試驗結果顯示，襯砌下的土體在試驗開始時位移出現負值，而在試驗結束時存在一定的殘余變形。位移出現負值的原因為環境溫度的降低造成土體冷縮，而當溫度繼續降低時逐步發生凍脹[6]。試驗結束時殘余變形產生的原因為凍脹過程中土體組構會約束凍脹作用而產生凍脹力，并對周圍土體產生破壞作用，因此，在融化過程中出現殘余變形。相比于其他柔性護坡結構，鉸接塊的整體性較好，在融化期能夠較好復位，殘余變形較小。試驗結果顯示，混凝土鉸接塊結構殘余變形為16.70mm，遠小于《渠系工程抗凍脹設計規范》(SL 23—2006)中關于梯形斷面渠道5cm的允許變形值，折算為實際變形情況，其凍害等級為Ⅲ級[7]。因此，模型試驗結果認為混凝土鉸接塊襯砌均符合工程技術要求。

3 混凝土鉸接塊結構現場試驗研究

3.1 混凝土鉸接塊結構設計方案

在室內試驗基礎上，在燈塔灌區飲水總干渠2+010～2+025段進行現場試驗，試驗過程中采用0.45m×0.44m×0.15m規格混凝土鉸接塊。渠道混凝土鉸接塊襯砌結構的邊坡設置為1∶3；在渠坡上進行混凝土鉸接塊鋪設，并在其內部填充細卵石；在混凝土鉸接塊下面的土體上鋪設 300g/m2的長絲土工布，在坡腳部位設置格賓網箱結構，起到固腳作用[8]，混凝土鉸接塊的結構設計如圖2所示。

圖2 混凝土鉸接塊的結構設計示意圖

3.2 混凝土鉸接塊結構施工方案

混凝土鉸接塊襯砌結構施工的基本流程為削坡及鋪砌面處理→固腳開挖→土工布鋪設→固腳施工→鉸接塊鋪設安裝→砂礫石料回填。

3.2.1 削坡及鋪砌面處理

結合模型試驗結果，對渠道坡面按試驗方案進行清坡、整理、夯實，特別要使坡比滿足試驗模型中的相關要求。

3.2.2 固腳開挖

按照相關設計要求對渠道的固腳實施開挖作業，如果坡腳位置屬于黏性土，則可以直接開挖，開挖時需要按照設計尺寸向渠內一側超挖3%～5%；如果坡腳部位屬于沙質土壤，只需要按照設計尺寸開挖即可，不需要向內超挖。

3.2.3 土工布鋪設

在整理、夯實的坡面上進行土工布鋪設，鋪設時既可以采用人工滾放，也可以借拖拉機鋪設；在土工布鋪設時，要將卷材展放至坡底并延伸到開挖固腳的底部。

3.2.4 固腳施工

格賓網箱的施工按照相關施工規范展開即可，展開網箱、填充石料、封邊，回填工作均需現場完成。

3.2.5 鉸接塊鋪設安裝

在進行鉸接塊鋪設安裝時，首先將混凝土鉸接塊固定在坡腳處并按水平方向鋪設2m，然后再按照自下而上順序逐層施工。所有相鄰混凝土鉸接塊之間需要用鋼鉸線進行連接，成為整體“鋪”，在每“鋪”鋪設完畢后，再將其上下兩端進行固定，并利用鎖扣連接，形成整體連鎖結構。在鋪設到渠頂后，將 1m 左右的鉸接塊向下彎折，插入堤體固定，最后在上面覆土夯實。

3.2.6 砂礫石料回填

將大小適宜的細卵石均勻攤鋪在連鎖結構的表面，然后將這些細卵石填進混凝土鉸接塊上預留的空隙中，在填滿所有空隙后，將結構表面剩余的細卵石清理干凈。

3.3 現場觀測試驗

3.3.1 觀測內容

根據模型試驗內容和試驗段渠道實際情況，該次現場試驗擬定如下觀測內容：?對試驗段現場的實際氣溫變化進行監測；?對混凝土鉸接塊結構凍脹融沉變形進行監測。

3.3.2 觀測方法

現場試驗的所有數據均需要通過人工觀測采集獲得。其中，溫度測量采用PT100 型溫度傳感器，并利用便攜式溫度巡檢儀采集溫度數據；試驗過程中采用全站儀觀測凍脹融沉變形，其測量精度達到±0.50mm，完全可滿足測量要求。

3.3.3 測點布置

取每個試驗工程右岸的中斷面作為監測斷面，并在每個監測斷面自下而上等距布置 5個測點。在背水坡護堤林內一個粗大的木墩上設置變形基準點，在試驗段下游600m 左右交通橋橋墩設置一個基準點的校核點。

3.3.4 觀測結果分析

對各襯砌的凍脹變形量觀測結果進行整理和分析，折算出不同測點襯砌的實際凍脹變形量，計算結果見表2所示。由表2數據可知，各襯砌的凍脹變形變化過程與室內試驗結果基本一致。特別是殘余變形量最大值為1.14cm，低于室內試驗結果，表明混凝土鉸接塊柔性襯砌結構比傳統的剛性襯砌結構對不均勻凍脹變形的適應性更好，可以在渠道加固改造中推廣應用。

表2 不同測點襯砌的實際凍脹變形量

4 結 論

本文以燈塔灌區引水總干渠襯砌結構為研究對象，通過室內試驗和現場試驗相結合，表明混凝土鉸接塊柔性襯砌結構比傳統的剛性襯砌結構對不均勻凍脹變形具有更好的適應性。室內試驗和現場試驗中混凝土鉸接塊結構凍脹變形結果基本一致，表明室內模型試驗研究結果比較可靠，可為類似研究提供經驗支持；混凝土鉸接塊柔性襯砌結構凍結過程中表現出先凍縮后凍脹的規律，殘余變形量最大值為1.14cm，沒有明顯凍脹破壞，表明該結構對渠道不均勻凍脹有較好的適應性；混凝土鉸接塊柔性襯砌結構施工簡易，便于維護，且有利于地下水補給，有益于生態環境平衡，值得在北方嚴寒地區渠道工程建設中推廣使用。

[1] 劉勝男.燈塔灌區節水改造工程水資源供需平衡分析[J].地下水,2016(6):236+240.

[2] 丁濤.混凝土襯砌渠道防凍脹技術在節水改造中的應用[J].水利科技與經濟,2015(3):111-114.

[3] 陳德勇.燈塔灌區水利設施現狀與配套節水改造分析[J].黑龍江水利科技,2015(6):117-118.

[4] 魯林.遼寧省燈塔灌區灌溉管理存在問題與多元化發展策略[J].水利發展研究,2016(2):89-92.

[5] 張晨笛,何武全,張希棟,等.季節性凍土地區渠道防滲防凍脹新材料及應用[J].水資源與水工程學報,2011(5):145-148.

[6] 何武全,張紹強,吉曄,等.季節性凍土地區渠道防滲防凍脹技術與應用模式[J].節水灌溉,2012(11):67-70.

[7] 中華人民共和國水利部.SL 23—2006渠系工程抗凍脹設計規范[S].北京:中國水利水電出版社,2006.

[8] 謝成玉,王國志.季節凍土區跨流域調水工程明渠襯砌結構型式探討[J].中國水利,2014(20):56-58.

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