景電工程干渠塊石換填措施抗凍融效果評價

劉月 王正中 李甲林 張茂林 申正香

摘要：為解決景電工程干渠紅砂土基礎在地下水淺埋條件下冬季凍脹量大、暖季融沉滑塌嚴重的問題，對渠道基礎采用塊石換填的抗凍脹融沉方案。根據地下水埋深與渠基土凍脹、融沉強度的關系，得到凍土的本構方程，采用COMSOL有限元軟件對換填前和換填后渠道襯砌的位移場和應力場進行了對比計算。結果表明：換填后的渠坡、渠底襯砌板法向位移最大值相對于換填前分別減小了53.8%、78.O%；換填后，渠道襯砌最大法向凍脹力和切向凍結力相比換填前分別減小了73.2%和82.8%，且整體分布更均勻。在地下水淺埋和土體遇水軟化的水文地質條件下，塊石換填渠道具基礎有優良的抗凍脹融沉效果。

關鍵詞：塊石換填；抗凍融效果；數值模擬；景電工程

中圖分類號：TV91

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.036

1 景電工程概況

甘肅省景電工程輸水總干渠及干渠總長150多km，是控制整個灌區的輸水大動脈，在完成灌溉輸水任務、正常發揮工程效益方面具有決定性的地位。輸水渠位于季節性凍土地區，工程區土質為強凍脹性沙壤土，遇水易崩解軟化，在冬春季節凍融循環作用下常常發生嚴重的凍脹破壞以及土體融沉滑塌現象。近年來，隨著灌溉面積增加，渠道周邊農田土壤含水量增大，渠道周圍的地下水位上升，渠道側向水補給增多，加劇了渠道的凍脹和融沉破壞（見圖1）。經現場調查統計，干渠渠道凍脹變形導致的襯砌架空隆起面積達到了總襯砌面積的65%，大面積滑塌面積占總面積的30%，造成了巨大的輸水滲漏損失和水頭損失。

2 景電工程干渠襯砌破壞原因分析及改造措施

為了提高景電工程輸水總干渠輸水能力，最大限度延長灌區渠道工程使用壽命，需要結合當地水文地質條件和土體特性，采取經濟合理的抗凍脹變形和融沉滑塌的措施對渠道襯砌進行改造。大量寒區工程經驗與凍土理論研究成果表明，土體凍脹產生的原因是負溫導致土體孔隙水凍結成冰后析出孔隙，隨后未凍結區域水分向凍結區域遷移，促使析出冰厚度增加，從而導致土體體積的膨脹，所以土體凍脹與負溫、水分和土體孔隙結構3個因素相關。景電工程輸水渠道平均地下水位位于渠底以下30cm，個別地段地下水逸出渠底，因此渠基土含水量接近飽和，加之紅砂土較好的滲透性和松散的結構便于水分遷移和冰析出，最終形成了渠道的強凍脹和強融沉特性。封閉的塊石換填層可以將地下水阻隔，減小換填層含水量：依靠換填層較大的自重作用于下層土體，增加了孔隙冰析出的臨界力，從而降低土體凍脹率：在換填層下方土體凍脹或融沉變形時，換填層較大的剛度抵抗了大部分變形量，從而可以減小作用于襯砌上的凍脹力?；诖?，設計了塊石換填基礎土體和塊石間擠密并填充砂漿以形成封閉襯砌的抗凍脹融沉改造方案（見圖2）。

襯砌改造于2016年1月31日完成，2月1日起正式進行現場監測。部分位移監測結果見表1。為對改造后的渠道抗凍脹和融沉效果進行預測性評價，依據《凍土工程地質勘察規范》建立了凍土凍融變形本構方程，結合經典熱傳導方程，采用COMSOLMutiphsics多物理場耦合軟件對改造前后渠道凍融進行了數值計算。

3 梯形土渠塊石換基數值模擬

3.1 熱傳導方程

忽略土體熱對流及輻射作用，則在凍結過程中，平面內的非穩態熱傳導方程為式中：p為土體密度，kg/m3；C為土體比熱容，J/（kg·K）；λx、λy分別為凍土沿x、y方向的熱傳導系數，W/（m.K）；T為溫度，℃；t為時間，s。

3.2 本構方程

依據文獻，將渠基凍脹視為“冷脹熱縮”，由上述熱傳導方程再加上渠道應力場方程和邊界條件，即可進行熱力耦合數值計算。

計算渠道凍脹變形的應力場平衡方程為本構方程為式中：σ為正應力：ε為正應變：v為位移矢量：▽為哈密頓算子：σ0為初始應力；C為彈性矩陣；εinel為溫度應變：T為溫度；Tref為自由應變參考溫度；χT為溫度線膨脹系數；η為凍脹率。

3.3 有限元模型參數選取

根據恒溫層厚度，有限元模型渠道從渠頂向下取9m為下邊界，左、右邊界從襯砌板邊緣分別向兩邊延伸5m，混凝土襯砌板、砂漿層厚度及塊石換填厚度見圖2。采用COMSOL有限元軟件對其進行數值模擬，具體參數設置見表2。

3.4 結果分析

3.4.1 襯砌板法向位移分析

根據景電工程地區實際邊界條件，在COMSOL中進行數值模擬計算，計算步長為7d，共計算了包括凍融循環的1a內的襯砌板法向位移。提取凍結期（11月至次年2月）和部分融化期（次年3-4月）數據，對換填前和換填后的渠道襯砌板法向位移進行對比（見圖3和圖4）。

對比圖3和圖4，可知11月進入凍結期后，隨著溫度的降低，土體中未凍水在負溫梯度下向凍結鋒面遷移并凍結成冰，體積膨脹，使得渠基凍土凍脹量逐漸增大，襯砌板法向位移也逐漸增加（11月至次年2月）；到次年3月，環境溫度開始回升，渠基凍土隨著溫度的升高而逐漸融化，使得渠基土體凍脹量逐漸減小，襯砌板法向位移也逐漸減?。?-4月）。對比圖4中2-4月和表1中相應的融沉位移，可以看出模擬得到的襯砌板融沉位移和現場監測的結果比較吻合，從而驗證了該模型的合理性。

對比換填前、后渠道襯砌板法向位移可得，凍結末期（2月）換填前渠坡、渠底襯砌板法向位移最大值分別為7.8、18.2cm；換填后渠坡、渠底襯砌板法向位移最大值分別為3.6、4.0cm，相對于換填之前分別減小了53.8%和78.0%。計算換填前、后渠道襯砌板法向位移均方差分別為6.45、1.02cm。由此可知，換填后的襯砌板法向位移明顯減小且分布更加均勻，說明采用塊石換基措施后抗凍脹融沉效果顯著。

3.4.2 應力場分析

渠基土體凍結膨脹會對渠道襯砌產生法向凍脹力和切向凍結力，提取襯砌板法向位移達到最大（2月）時的數據進行分析，見圖5。換填前襯砌板坡腳處產生較大峰值法向凍脹力和切向凍結力，分別為4.97、8.08MPa，采用換填塊石措施后，明顯削弱了坡腳處的應力，換填后的最大法向凍脹力和切向凍結力分別為1.33、1.39MPa，相比換填前減小了73.2%和82.8%。經計算，換填前法向凍脹力、切向凍結力均方差分別為1.07、2.12MPa，換填后分別為0.41、0.66MPa。由此可知，換填后有效削弱了襯砌板坡腳處的峰值應力，且整體分布更加均勻。

綜上可知，采用塊石換基措施，既能減小渠道襯砌板法向位移，又能削弱坡腳處的峰值應力，使襯砌板法向位移和應力分布更為均勻，改善了襯砌板的受力狀態，其抗凍脹效果顯著。

4 結語

（1）景電工程干渠渠道基礎經過塊石換填后凍脹量大幅度減?。号c此同時，襯砌所受法向凍脹力和切向凍結力得到了削減且分布更加均勻。在融化期，基礎換填后渠道整體融沉量可以忽略不計。

（2）對于地下水埋藏淺、土體遇水軟化等不良地段的渠道，可以通過塊石擠密換填來封堵地下水和提高基礎剛度，最終可達到防治凍脹和融沉滑塌的目標，提高渠道襯砌的運行壽命。

（3）剛度較大的塊石基礎對凍脹和融沉變形的抵抗作用顯著，但是不可避免地增大了塊石體的應力，容易發生塊石基礎的剪切和擠壓破壞，在工程設計時需要進行強度驗算。