遼陽灌區(qū)渠道防滲防凍脹試驗及結果分析

徐成志

(遼陽市水利事務服務中心，遼寧 遼陽 111000)

1 概 述

土工格室是一片一片的高強度HDPE材料聚合物，通過高強度焊接材料通過14個焊接點焊接而成的具有伸縮自如特性的土工環(huán)保合成材料。使用時張開并充填混凝土料可以起到阻裂和細化裂縫的作用，明顯地改善了混凝土的微觀結構，使混凝土中原生的微裂紋減少、裂縫寬度減小，這必然使混凝土硬化體的抗?jié)B性和韌性得到相當程度的提高，使混凝土表面光滑，進而使混凝土的耐久性得到大幅度的提高，對凍融變化和機械損傷等外界因素都具有較高的抵抗能力。目前已被廣泛應用于土木工程的各個領域[1]。

格室的深度一般≤20 cm, 其規(guī)格可以按照應用場合的不同自行設計。土工格室結構圖，見圖1。

圖1 土工格室結構圖

1.1 土工格室材料物理力學性能

土工格室結構可以將大部分垂直力轉化為向四周分散的側向力。土工格室用于渠道邊坡襯砌時，使格室與填充混凝土一起構成一種柔性結構層，來改變渠道砌體的受力結構，避免砌體因凍脹引起的結構性改變的現(xiàn)象。

試驗用土工格室物理力學性能，見表1。

表1 試驗用土工格室物理力學性能

2 開展防凍脹實驗研究

2.1 工程概況

試驗段所在灌區(qū)屬于北溫帶大陸性季風氣候，夏季多雨炎熱，冬季寒冷。多年平均氣溫為8.6℃，其中7月最高氣溫為24.7℃，1月最低氣溫為-10.9℃；極端最高氣溫37℃，極端最低氣溫-35.6℃；多年平均降雨量為720.7mm，降雨量年內分配不均勻，主要集中在5-9月，約占全年降水量的80%；多年平均蒸發(fā)量1641.3mm；多年平均風速3.0m/s，主導風向SSE，大風日數(shù)10d；無霜期平均為165d，平均結凍期約160d，多年平均最大凍土深度126cm。遼陽灌區(qū)地層巖性簡單，上覆地層巖性大部分為黏土，局部有粉質黏土，黏性土一般厚20-30m。其下30-100m為砂卵石層，100-150m以下為基巖層[2-3]。

2.2 試驗段土工格室設計方案

研究根據(jù)試驗段特點，試驗段在保持原土渠水面線高程和渠道縱比降不變的原則下,選取灌區(qū)三支2斗渠道的三種典型斷面結構形式進行對比研究。這三種結構形式分別為：①設計斷面1：原狀土夯實+復合土工膜(兩布一膜)+土工格室混凝土護坡(35cm×35cm×6cm)+7cm現(xiàn)澆鋼筋混凝土底板5@150×150；②設計斷面2：原狀土夯實+復合土工膜(兩布一膜)+土工格室混凝土護坡(35cm×35cm×8cm)+7cm現(xiàn)澆鋼筋混凝土底板5@150×150；③設計斷面3：對比結構，原狀土夯實+7cm現(xiàn)澆鋼筋混凝土5@150×150三種渠道防滲結構結構方式。斗渠防滲防凍脹試驗結構橫斷面，見圖2 。

2.2.1 觀測項目設計

渠道的凍脹過程通常從渠基土溫度變化、渠基土凍深變化和渠基土凍脹量變化3個方面來研究其規(guī)律性。因此,觀測項目包括地溫、凍深、襯砌位移等觀測項目。地溫用TW-1型土壤梯溫儀觀測,觀測其下40cm、60cm、80cm深度內的溫度;凍深采用凍土器觀測地表下120cm深度內的凍結深度;砌體位移采用固定標點法量測其位移量。根據(jù)需要采集數(shù)據(jù)的特點，數(shù)據(jù)設定每間隔10d采集1次，在冬季戶外氣溫變化明顯的時間段加密采集數(shù)據(jù)次數(shù)，設定每5d采集1次[4-5]。

設計斷面1

設計斷面2

設計斷面3

2.2.1.1 襯砌結構層下部土壤不同埋深地溫

試驗主要是采集圖2所設計三種襯砌結構下部土壤位于40cm，80cm處土壤溫度，直讀式地溫觀測儀埋設圖，見圖3。

2.2.1.2 襯砌結構層下部土壤凍結深度

與襯砌結構下部土壤不同深度地溫觀測儀器埋設位置相同，在襯砌渠坡和渠底分別設置1個觀測孔，在觀測孔中安裝1套自制凍土測量裝置，裝置長度為150cm，凍土器長度為180cm，凍結深度觀測尺埋設布置圖，見圖4。讀取數(shù)據(jù)時提出內部乳膠管，輕捏乳膠管可鑒別出管內冰和水的分界線位置，用測尺量測冰柱長度，即為凍結深度[6]。

圖4 凍結深度觀測尺埋設布置圖

2.2.1.3 襯砌結構層下部土壤凍脹量

三支2斗進水閘距離選取的試驗段30M遠，因此選取進水閘閘框頂部閘臺為基準點，采用相對測量法。分別在本次選取的3個設計斷面試驗段上選定1個觀測斷面，根據(jù)渠道斷面實際寬度設置不等數(shù)量的觀測點，凍脹量觀測點布置圖，見圖5。每次觀測時使用水準儀量測每個觀測點與基準點(閘臺頂部)之間的相對高差的變化，在襯砌結構層下部土壤開始凍結之前觀測的數(shù)據(jù)做為初始值，在后續(xù)每次觀測到的數(shù)據(jù)與基準點之間的高差與初始值相比減小的數(shù)值，即為襯砌結構層下部土壤的凍脹量[7]。

(a)

(b)

(c)

3 原形觀測成果及分析

觀測結果經過歷時128d(20151201-20160406)的冬季觀測,得到了各觀測點實測凍脹曲線。

3.1 渠基土溫度變化

土工格室結構40cm深地溫變化過程線，見圖6；土工格室結構80cm深地溫變化過程線，見圖7。

(a)南坡 各結構南坡(陰坡)40cm深地溫曲線圖

(b)北坡 各結構南坡(陰坡)40cm深地溫曲線圖

(a)各結構南坡(陰坡)80cm深地溫曲線圖

(b)各結構北坡40cm深地溫曲線圖

試驗段土渠南坡40cm深地溫最低值-4.7℃，北坡-0.9℃；南坡80cm深地溫最低值-1.2℃，北坡0.4℃。南坡40cm深地溫負溫值持續(xù)時間約73d，北坡約為35d；南坡80cm深地溫負溫值持續(xù)時間約50d，北坡未出現(xiàn)負溫[8]。

地溫曲線反應出6cm土工格室結構南坡地溫略<8cm土工格室結構和對比結構，北坡三種結構地溫值基本相同。8cm土工格室結構和對比結構南坡40cm深地溫最低值約為-5℃，>6cm土工格室結構約1℃；80cm深地溫最低值約為-1.5℃，>6cm土工格室結構約0.8℃。3種結構北坡40cm深、80cm深地溫最低值分別為-1℃，0.2℃。

3.2 渠基土凍深變化

斗渠基土凍深變化過程線，見圖8。

(a)南坡

(b)北坡

同渠基土地溫觀測結果，土工格室結構邊坡凍深變化值與對比結構基本相同。

土工格室結構凍深變化過程線，見圖9。

(a)南坡

(b)北坡

各結構凍深值基本相同，8cm土工格室結構和土渠在2月16日開始出現(xiàn)雙向回融，較6cm土工格室結構和對比結構早約25d。到4月6日為止，6cm土工格室結構融化深度最小，其它結構基本融通。土工格室結構最大凍深值，見表3。

3.3 渠基土凍脹量變化

試驗段各結構凍脹量變化情況，見圖10。

表3 土工格室結構最大凍深值 cm

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(a)-(c)南坡觀測點1，2，3；(d)-(f)北坡觀測點5，6，7。

試驗段各土工格室結構最大凍脹量見表4。最大凍脹量觀測時間為3月14日，此后各結構凍脹量開始下降，渠基土開始回融。南坡8cm土工格室結構凍脹量最小，北坡土渠凍脹量最小，其次為8cm土工格室結構，6cm土工格室結構與對比結構相比，抗凍脹效果并不明顯。

表4 試驗段土工格室結構最大凍脹量

3.4 綜合分析

通過對觀測數(shù)據(jù)的進一步分析，可以得出：設計斷面二采用的8cm厚土工格室護坡比對比設計方案三原狀土夯實+7cm現(xiàn)澆鋼筋混凝土凍脹量削減了9.3%，抗凍脹能力比較明顯。土工格室混凝土結構以土工格室與填充混凝土一起構成一種柔性結構層共同承受外界作用力，抗凍脹機理體現(xiàn)在以下4各方面[9]：

1)聯(lián)動性的特點。受外界作用力時，一片片土工格室結構可以將大部分垂直力轉化為向四周分散的側向力，填充的混凝土塊不再是獨立受力，而是通過周邊接觸的一片片土工格室，將絕大部分承受的垂直力向土工格室傳遞，最終使土工格室混凝土局部凍脹力分散成側向力，局部承受的作用力轉化為柔性結構層整體發(fā)生改變，避免了混凝土塊因局部承受凍脹而產生的脫坡、局部錯動等現(xiàn)象。

2)對外力作用的分散傳遞的特點。柔性結構層受力變形后，混凝土塊間相互影響對變形向每塊混凝土塊周邊進行分解，使混凝土塊的整體強度和剛度都得到增大，縮小了混凝土塊因承受的外力引起的局部改變，進而增強了柔性結構層的抗凍脹變形現(xiàn)象的發(fā)生。

3)連鎖性共同受力的特點。經檢測，本次研究使用的土工格室抗拉強度為22MPa。當混凝土塊受外力變形時，土工格室將各混凝土塊牢固的連鎖在一起，體現(xiàn)出抗擊外來作用力強的特點。

4)低溫環(huán)境性能不受影響的特點。土工格室為高強度HDPE材料聚合物，在-40℃低溫下仍具有良好的性能，耐低溫性能優(yōu)異。

4 結 論

通過對試驗段主要凍脹影響因素和土工格室混凝土結構特點的分析，進行了防滲防凍脹試驗方案的設計，并對觀測采集到的各組數(shù)據(jù)進行了分析。數(shù)據(jù)結果顯示，土工格室作為一種新型防凍脹材料與填充混凝土一起構成的這種柔性結構層能有效避免凍脹對渠道造成的破壞。目前土工格室在渠道襯砌的應用中還處在摸索階段，且渠道防滲防凍脹標準比較低，需要水利部門的科研人員不斷總結經驗，進一步挖掘、開發(fā)出土工格室的優(yōu)異性能，為這一新型材料的廣泛應用提供條件。