不同粒徑碎石填料渠基凍結試驗研究

滕簫嶼

(遼寧白石水利水電建筑工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

渠道可以解決我國水量空間分布不均的情況，新中國成立以來，我國規劃建設了許多渠道設施。但是在北方以及一些高海拔地區，由于地基氣溫普遍偏低，在凍融循環作用下易發生凍脹破壞，不僅造成渠道供水能力減弱，而且由于渠道滲漏導致渠基土含水率增大，會進一步加劇渠基的凍脹變形，嚴重影響渠道等輸水工程的使用壽命，大大增加了維修成本，如何有效抑制渠基的凍脹變形成為當前水利界的一大熱點[1-4]。

渠道凍脹破壞的發生與渠基水分場密切相關，在含水率較高的渠道基礎地區凍脹破壞尤為劇烈，這主要是由于水分在渠基中進行遷移導致“鍋蓋效應”的發生[5-10]。要解決此類問題，最好的辦法就是對渠基進行碎石換填，碎石層具有“熱半導體”效應，可以充分利用基礎底部的溫度，減小基礎凍深，從而改善基礎的凍脹破壞，碎石級配基礎在公路、鐵路工程中已經得到了充分論證和應用[11-14]，但是在水利工程中應用還比較鮮見，相關的研究也比較少。因此，本文對粉質黏土渠基和不同粒徑碎石填料渠基進行了單向凍結試驗，以期能為碎石換填技術在水利渠道工程中的應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

渠基土：粉質黏土，干密度為1.8g/cm3，濕密度為2.05g/cm3，含水率大小為14.6%，粒徑為0.075～1.25mm。

碎石填料：大理巖碎石，按照等效球粒徑將碎石劃分為：0.45、1.0、1.5和1.85cm 4種等效粒徑，通過灌水法對4種等效粒徑的碎石填料進行空隙率測試，結果測得空隙率分別為：46.3%、44.5%、42.1%和43.2%。

1.2 試驗方案

試驗采用單向凍結試驗裝置，該裝置包括試驗桶(高度10cm)系統、溫度自動控制系統、水分補給系統以及數據自動采集系統4部分組成，溫度傳感器的精度為0.01℃，水分傳感器精度為0.1%VWC，濕度傳感器測量范圍為0～100%RH，壓力傳感器測量精度為0.1mL。試驗初始溫度為15℃，頂部溫度為-15℃，底部溫度為5℃，環境溫度為5℃，凍結試驗過程中采用水分補給系統對進行補水操作。試驗方案見表1。

表1 試驗方案 單位:℃

1.3 試驗過程

(1)將取回的渠基粉質黏土進行翻曬、碾壓、篩分，確保土樣無結塊，將碎石進行烘干。

(2)按照14.7%的含水率將土攪拌均勻并用塑料密封靜置2d。

(3)在試驗桶下鋪設濾紙，防止土顆粒或者碎石雜質堵塞補水孔，然后分層填入黏土或碎石。

(4)安裝溫度、濕度、水分、壓力等傳感器。

(5)開啟恒溫箱(試驗箱上下溫度導板均為15℃)并設置為15℃，保持恒溫9h，確保試驗對象均處于15℃的初始溫度。

(6)將試驗箱上部溫度導板調節為-15℃，下部溫度導板調節為5℃，并將恒溫箱溫度調節為5℃，開始進行凍結試驗，凍結試驗過程中每隔一定時間采集補水量、濕度和溫度等參數，凍結試驗時間為20h。

(7)對試驗數據進行整理和分析。

2 試驗結果分析

2.1 補水量分析

試驗得到的不同實驗組補水量隨時間的變化關系如圖1所示。

圖1 補水量變化曲線

由圖1可知,隨著凍結試驗時間的不斷增加，各實驗組渠基填料的補水量呈逐漸增長趨勢，在0～6h內補水量快速增大，6～20h補水量近似呈線性緩慢增加；對于黏土渠基，由于剛開始實驗室溫度變化速率較快，土樣內部的水分發生相變，孔隙水在降溫過程中凝結成冰，隨著時間的推移，凍結鋒面也隨之移動，導致土樣下部的水分向上部遷移，下部水分遷移之后需要進行補充，因此從補水系統進入的補水量在凍結初期會快速增大；當凍結鋒面推移到一定程度后會逐漸穩定下來，同時在凍結鋒面處形成的冰晶會堵塞部分水分遷移通道，因此水分遷移的整體速率就會放緩，因而后期補水量增長緩慢；對于碎石渠基填料，由于在試驗初期將碎石進行了烘干處理，因此試驗碎石填料的初始含水率很低，當碎石處于補水環境中后，會快速吸收周圍的水分，導致試驗箱中的濕度降低，補水系統就會快速給試驗箱中補給水分，當試驗箱中的環境濕度達到飽和或者穩定之后，水分補給速率就會逐漸降低。凍結試驗時間相同時，碎石渠基的補水量明顯小于黏土渠基的補水量，碎石填料粒徑越大，補水量越小，這是因為碎石顆粒粒徑越大，其比表面積越小，水分吸收和蒸散發能力也相對越弱，因此補水系統對于試樣的水量補給月最小。

2.2 濕度變化分析

試驗得到的濕度變化特征曲線如圖2所示。

圖2 濕度變化曲線

由圖2(a)可知，隨著凍結試驗的進行，不同高度處的渠基濕度表現出不同的變化特征，處于試驗下層(0.5m)的渠基填料，在試驗0.2h后，濕度就快速達到100%，這是因為下層填料離補水口最近，當進行補水處理后，下層土樣中的空氣會最先達到水分飽和；試驗中層(3.5和6.5m)和上層(9.5m)的渠基填料，濕度呈“上升-下降-上升-穩定”的變化特征，這是因為在在試驗初期，空氣中的水分會快速進入濕度傳感器的探頭，因而濕度快速升高，當濕度探頭中的濕度與空氣初始濕度相對穩定時達到曲線的拐點，隨著凍結試驗的進行，空氣中水分凝結成冰，濕度降低，補水系統開始對土樣補水，但水分從下層上升到上層需要一定時間，因而濕度由下降轉為上升的時間有一定滯后，越靠上層，這個時間點越滯后，當空氣中濕度達到相對穩定后，補水過程也隨之變緩，濕度也基本達到穩定狀態。

由圖2(b)可知，黏土渠基在各個高度的濕度均保持在98%～100%，表明黏土渠基中的水汽遷移作用比較明顯；而對于碎石填料，隨著高度的增加，凍結20h后的空氣濕度也越低，凍結實驗結束后，試樣最上部(9.5cm)的濕度分別為55%、55%、45%和52%，由此可見，當碎石等效粒徑為1.5cm時，能夠顯著減少碎石填料渠基中的水分向上遷移的情況，可以在最大程度上減輕水分遷移帶來的“鍋蓋效應”，從而降低渠道凍脹破壞發生的概率。

2.3 溫度變化分析

試驗得到的溫度變化特征曲線如圖3所示。

圖3 溫度變化曲線

由圖3(a)可知，在凍結試驗初期，試樣不同高度處的溫度基本在15℃左右徘徊，凍結試驗進行1h后，各層溫度顯著降低，并表現為中間溫度高，兩端溫度低的特征，上層和底層溫度接近5℃，中部溫度在10℃左右;當凍結試驗進行2h后，上部溫度下降至-3℃左右，而下部溫度依然維持在5℃左右，中部溫度則降低至5.5℃，當凍結試驗進行8～20h后，溫度由上而下依次遞增，最上層土樣溫度降低至-7℃，中層溫度下降至1.85℃，下部結構維持在5℃左右。試驗發現：黏土渠基降溫總時間為9.5h，而S2-S4試驗組的降溫時間分別為6.2、6.3、5.1和6.5h，這是因為黏土的密實度和水分含量較高，土體降溫以熱傳導為主，因而所需時間較長，碎石渠基的孔隙率遠大于黏土，不僅有熱傳導作用，空隙中的空氣對流也會對溫度產生影響，因此溫度下降速度更快。

由圖3(b)中可知：在補水條件下，溫度隨著試樣由上而下逐漸升高，黏土渠基上部的溫度下降比較明顯，溫度低至-11.5℃，下部溫度為4℃，碎石填料渠基的上部溫度相差較小，分別為-6.5、-5.8、-5和-4.9℃，下部溫度則均為5℃；4組碎石填料中，0℃所對應的高度基本沒有變化，因此對于地下水充足的北方寒區，在冬季采用碎石填料對渠基進行換填，能夠改善渠基的溫度場，從而防止渠道在冬季發生凍脹破壞。

3 結語

采用室內單向凍結試驗方法，對粉質黏土渠基和不同粒徑碎石填料渠基的凍脹破壞規律進行了對比研究，得出如下結論。

(1)隨著凍結試驗的進行，補水量呈兩階段增加趨勢，第一階段增長速率較快，第二階段增長速率變緩；相同凍結試驗下，黏土的補水量大于碎石填料，碎石粒徑越大，補水量越小。

(2)底部土樣的濕度要高于上部土樣的濕度，當碎石填料等效粒徑為1.5cm時，對水分遷移帶來的“鍋蓋效應”的減輕效果最好。

(3)碎石填料溫度下降時間明顯小于黏土的溫度下降時間，碎石填料上部和中部結構的溫度明顯高于黏土；采用碎石填料對渠基進行換填，能夠改善渠基的溫度場，防止渠道在冬季發生凍脹破壞。

(4)本文僅針對同一粒徑填料進行凍結試驗，但實際情況是碎石粒徑并不均勻，這兒將在以后做進一步補充研究。