砂卵石換填對渠道襯砌抗凍脹效果影響的試驗研究

2021-10-21 05:29:36張晶

水利科學與寒區工程 2021年5期

張晶

(河北省子牙河務中心，河北衡水 053000)

我國是灌溉水利的建設和應用大國，灌溉渠系的設計和建設對保證灌區灌溉效果，提高有限灌溉水資源的應用效率具有十分重要的意義和作用[1]。但是，我國的許多灌溉渠道由于建造的年代久遠，加上設計標準偏低，存在比較嚴重的老化和失修問題[2]。另一方面，受到地理位置和氣候因素的影響，我國的季凍區面積十分廣大，約占我國國土總面積的50%。在我國北方的季凍區，渠道的冬春季凍脹破壞問題十分普遍，已經成為當地影響渠道運行安全和耐久性的重要因素[3]。某灌區在冬春季節的凍融循環作用下經常發生比較嚴重的凍脹破壞現象，加上運行時間長久，因此渠道的滲漏現象也比較嚴重，造成渠系水利用效率大幅降低[4]。近年來，隨著灌區灌溉面積的不斷拓展，渠道周邊地區農田的含水量有所增大，進一步加劇了渠道的凍脹破壞。在這一背景下，凌源市積極籌集資金，實施灌區的改造和續建工程，而改善渠道的凍脹破壞是渠道改造的重要目標。在具體的工程設計中，采用其他防凍脹措施的同時，考慮到當地砂卵石材料分布廣泛，擬采用砂卵石換填渠道基土，提高渠道抗凍脹性能。基于此，此次研究通過現場試驗的方式，分析和探討砂卵石換填對渠道襯砌抗凍脹效果影響，給工程優化設計提供支持。

1 試驗設計

1.1 試驗段選擇

試驗中選擇陳杖子灌區2#支渠Z0+000～Z0+100段作為試驗段。該段渠道采用的是現澆型混凝土襯砌渠道，渠道斷面為梯形設計，邊坡坡度為1.5，渠底寬2.0 m，渠深1.5 m。渠道的基土土質為粉質壤土，地下水位在渠道底板以下0.2 m 部位。

1.2 試驗目的

根據寒區工程的特點以及凍土理論，渠道基土的凍脹主要是負溫條件下土體內部的孔隙水凝結造成的，因此渠道凍脹破壞與負溫、含水量以及基土土體的孔隙率之間具有十分密切的關系。利用砂卵石換填部分基土，可以起到阻隔地下水的作用，減少換填層內的含水量，同時依靠其增加孔隙冰析出的臨界力，從而實現凍脹量的有效控制。因此，研究中以選擇的試驗段為例，通過對不同方案下的地溫、濕度以及凍脹量的觀測和分析，探討砂卵石換填對渠道襯砌抗凍脹效果的具體影響。

1.3 試驗方法

試驗中對基土溫度和凍深的監測利用的是單點溫度傳感器，在渠道左右兩側的頂部和渠底各布置一組溫度傳感器，共4組溫度傳感器。鑒于遼西地區冬季最大凍深為1.2 m，基土自地表2.0 m以下的溫度變化對凍脹的影響作用不大,因此，各組溫度傳感器的鉆孔深度為2.0 m，孔內每隔20 cm布置1個溫度傳感器，自上而下共布置11個溫度傳感器[5]。為了避免傳感器位置變化，要將所有的溫度傳感器串聯固定并放入PVC管，再放入溫度孔。

在換填條件下，孔隙中的水濕度是上部自由水的主要來源，其變化情況會直接影響襯砌結構的凍脹特點[6]。研究中的孔隙水濕度監測采用的是SHT30型土壤濕度傳感器。在傳感器的安裝過程中，需要將探針水平插入土體，并與土體緊密接觸[7]。

在凍脹量的監測方面，采用凍脹位移傳感器[8]。在埋設過程中，首先需要鉆孔到設計的深度，然后在鉆孔內放入延長桿，在延長桿上設置防凍結套筒，使延長桿底部的底座和土體緊密接觸，并在孔中回填原狀土，然后壓實。其具體的埋設方式如圖1所示。

圖1 凍脹位移傳感器埋設方式

1.4 試驗方案設計

試驗段的襯砌結構為厚度6 cm的預制混凝土板，表層為3 cm的水泥砂漿抹面，襯砌結構與基土之間布置厚度為5 cm的聚丙烯泡沫板。在基土換填方案下，將襯砌結構以下50 cm厚的基土換填為不同粒徑的砂卵石材料。為了研究獲取換填砂卵石對渠道抗凍脹效果的影響，根據當地砂卵石料的實際特點，研究中設計了2～4 cm、4～6 cm、6～8 cm和10～15 cm等四種不用粒徑的砂卵石料進行換填試驗，分別記為方案1、方案2、方案3、方案4，同時將沒有換填的原狀基土作為對比方案，記為方案5。試驗段在2020年12月1日完工并開始試驗，12月30日試驗結束。

2 試驗結果與分析

2.1 凍深試驗結果與分析

對試驗中獲得的溫度垂向分布數據進行整理，獲取典型時段的最大凍深，如表1所示。由表1中的數據可以看出，隨著環境溫度的逐步降低，各方案的基土最大凍深也呈現出逐步增加的變化特征，但是增加的幅度逐漸減小，最終趨于穩定。從不同方案的試驗結果對比來看，方案5，即沒有換填基土方案的凍深明顯偏大。以試驗結束的12月 30日數據為例，其最大凍深為1.14 m，與方案1、方案2、方案3和方案4相比，分別大了35.7%、48.1%、70.1%和56.2%。由此可見，對渠道基土進行砂卵石換填可以顯著降低基土的凍深，這對于控制渠道的凍脹破壞是有利的。另一方面，從不同換填方案的試驗結果來看，基土凍深會隨著砂卵石粒徑的增大呈現出先減小后增大的變化特點，方案3，即砂卵石的粒徑在6～8 cm 時的凍深相對較淺，渠道的抗凍脹效果最佳。

表1 不同方案的最大凍深試驗結果 m

2.2 濕度試驗結果與分析

對試驗中獲得的換填層濕度數據(方案5為同深度土層數據)整理,獲取典型時段的濕度數據，如表2所示。由表2中的數據可以看出，各試驗方案換填層的濕度隨著試驗的進行，呈現出先下降后上升最終趨于穩定的變化特征。從不同試驗方案的結果對比來看，方案5的濕度值較其余4個方案明顯偏大，說明砂卵石換填有助于降低基土濕度，對控制凍脹變形有利。從不同換填方案的對比來看，方案3的濕度試驗結果最小，說明該方案對控制基土濕度最為有利。

表2 不同方案的換填層濕度試驗結果 %

2.3 凍脹量試驗結果

對試驗中獲得的溫度垂向分布數據，整理獲取典型時段襯砌結構的最大凍脹量，結果如表3所示。由表3中的數據可以看出，渠道襯砌的凍脹量隨著試驗的進行呈現出先減小后增大并逐漸趨于穩定的特點，原因是施工完成之后基土存在一定的沉降變形，之后逐漸產生凍脹變形。從不同方案的對比來看，換填方案較不換填方案5明顯減小。從12月30日的試驗結果來看，方案1、方案2、方案3、方案4較不換填方案5分別減小了約29.7%、40.7%、45.9%和43.0%。由此可見，進行砂卵石基土換填可以對凍脹量產生明顯的控制作用，有效防止渠道襯砌結構的凍脹破壞。從不同的換填方案對比來看，方案3的凍脹量最小，說明該方案對控制襯砌結構的凍脹破壞最為有利。