寒區(qū)高地下水位渠道透水襯砌結(jié)構(gòu)方案分析

孫黎強(qiáng)

(山東省濱州市引黃灌溉服務(wù)中心，山東 濱州 256600)

1 工程背景

山東省濱州市小開河引黃灌區(qū)下轄6個(gè)區(qū)縣，設(shè)計(jì)灌溉面積110萬畝，干渠總長度96.5km，支渠總長度128.6km，斗渠總長度241.4km。近年來，得益于流域綜合治理項(xiàng)目和灌區(qū)續(xù)建配套項(xiàng)目建設(shè)的實(shí)施，灌區(qū)內(nèi)的大部分渠道都進(jìn)行了改建和襯砌，顯著提升了灌溉渠道的功能發(fā)揮和水資源綜合利用系數(shù)。但是，灌區(qū)仍有大量的干渠和獨(dú)立引水斗渠分布在高地下水位地區(qū)，襯砌的難度較大。鑒于國家對水資源管控要求的不斷提高和群眾節(jié)水意識的不斷增強(qiáng)，這些高地下水位地段渠道亟待列入襯砌范圍。5#干渠全長15.22km，其中8.66km為正規(guī)渠道，其余為不規(guī)則渠道。該干渠的上段1.5km渠段的右側(cè)為大片耕地，左側(cè)為河道，地下水位偏高。由于該渠段地質(zhì)條件較為復(fù)雜，特別是地下水位較高，現(xiàn)有渠底以下0.5m部位普遍存在地下水滲出，如果采用現(xiàn)澆混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，則難以達(dá)到冬季防凍脹要求[1]。同時(shí)，如果襯砌結(jié)構(gòu)下部的墊層中長期有水，也會(huì)顯著影響渠道本身的穩(wěn)定性[2]。此外，該段渠道的渠基土主要是強(qiáng)滲透性的沙壤土，如果不進(jìn)行襯砌護(hù)岸，也難以有效保證渠道的正常運(yùn)行[3]。為了解決上述問題，工程項(xiàng)目部決定對該渠段采用透水襯砌結(jié)構(gòu)。基于此，此次研究通過室內(nèi)試驗(yàn)的方式，探討透水襯砌透水結(jié)構(gòu)厚度、設(shè)置位置以及長度對渠道滲流量和抗凍脹性能的影響，以便為工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供支持。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)裝置

由于工程場地和工期等因素的限制，此次研究采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)的方式開展[4]。首先，利用相似性原理對試驗(yàn)箱進(jìn)行設(shè)計(jì)，并保證模型的透水邊界和隔水邊界條件與工程原型相一致。將試驗(yàn)中觀測獲得流量值和凍脹量數(shù)據(jù)通過公式轉(zhuǎn)換為原型的滲流量和凍脹量。

結(jié)合試驗(yàn)場地的情況，模型的幾何比尺設(shè)定為1∶5。模型試驗(yàn)箱為長方體，其長、寬、高分別為480cm、100cm和120cm(模型示意圖如圖1所示)，邊坡系數(shù)為1∶1.75。模型試驗(yàn)箱的長度方向?yàn)楸尘肮こ糖赖臋M截面，寬度方向?yàn)榍赖妮S線方向。利用厚度10mm的有機(jī)玻璃板制作試驗(yàn)箱的箱體結(jié)構(gòu)，鑒于箱體的尺寸較大，在其側(cè)面加裝鋼肋梁提高箱體的抗彎強(qiáng)度[5]。在箱體的兩側(cè)和底部安裝測壓管，實(shí)現(xiàn)水位高程的測量。在箱體的右側(cè)安裝溢流閥門，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過程中地下水位的合理模擬，同時(shí)對渠底的滲流量進(jìn)行測量[6]。在模擬試驗(yàn)過程中，除透水體部位之外，其余部位采用現(xiàn)澆混凝土處理，其厚度按照滲流量要求以等效原則確定。

圖1 模型試驗(yàn)箱結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 試驗(yàn)條件

由于試驗(yàn)中需要測定不同試驗(yàn)方案的凍脹量，因此試驗(yàn)在低溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。模型試驗(yàn)中的用土取自工程現(xiàn)場，以保證試驗(yàn)結(jié)果與背景工程的契合性。利用土樣在試驗(yàn)箱內(nèi)壓實(shí)制作渠基土。制作過程中采用分層填筑分層夯實(shí)的方式進(jìn)行。在填滿試驗(yàn)箱之后按照幾何比尺開挖出渠道模型，并進(jìn)行透水體的安放和混凝土襯砌板的鋪設(shè)[7]。

試驗(yàn)中規(guī)定地下水位和渠道的渠底高度一致時(shí)為0m，高于該高度記為正；低于該高度記為負(fù)。試驗(yàn)中采用穩(wěn)定滲流法進(jìn)行滲流量的測試。在試驗(yàn)時(shí)，首先連接自來水管，將水緩慢注入模型渠道至水渠正常運(yùn)行時(shí)的渠水位，然后對溢流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，將地下水位調(diào)節(jié)至設(shè)定水位開始試驗(yàn)。試驗(yàn)中需要及時(shí)向渠道內(nèi)補(bǔ)水以保持固定的水位高度。每隔10min測量一次滲漏水量，在滲漏穩(wěn)定時(shí)再連續(xù)測量3次，以其均值作為滲漏量的試驗(yàn)結(jié)果。

在滲漏量試驗(yàn)結(jié)束之后，將模型的模擬地下水位降低到試驗(yàn)設(shè)計(jì)值，然后室內(nèi)氣溫降至5℃，將模型靜置12h開始凍脹量試驗(yàn)。凍脹模擬試驗(yàn)由降溫和恒低溫兩個(gè)階段構(gòu)成。其中降溫階段歷時(shí)24h，將室內(nèi)溫度由5℃降低至-15℃；恒低溫階段歷時(shí)36h，室內(nèi)溫度保持-15℃不變。在試驗(yàn)結(jié)束之后測量襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹量并進(jìn)行分析。

2.3 試驗(yàn)方案

結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果，輸水渠道透水襯砌結(jié)構(gòu)滲流量和抗凍脹性的主要影響因素為透水體塊石大小、長度和設(shè)置位置[8]。基于此，此次試驗(yàn)研究中設(shè)計(jì)4、5、6、7cm 4種不同的干砌石透水體的厚度；20、30、40、50cm 4種不同的透水體長度；設(shè)置渠底中部、渠底兩側(cè)、渠坡底部和渠坡中部等4種不同的設(shè)置位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)(后3種方案需要設(shè)置兩條透水體，其長度總和等于透水體長度方案的設(shè)計(jì)值)。為了減少試驗(yàn)次數(shù)，試驗(yàn)中固定兩個(gè)因素的不便，對第3個(gè)因素的最佳參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，最終獲取最佳設(shè)計(jì)方案。結(jié)合項(xiàng)目的地下水的變化情況，試驗(yàn)中設(shè)置20、10、0cm 3種不同的地下水位工況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 透水體位置

試驗(yàn)中保持透水體厚度5cm、透水體長度40cm不變，對不同透水體設(shè)置位置方案下的渠道滲流量和凍脹量進(jìn)行試驗(yàn)。對試驗(yàn)中獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的整理和計(jì)算，結(jié)果見表1。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，透水體位置會(huì)對滲流量和凍脹量造成比較明顯的影響。具體來看，當(dāng)透水體設(shè)置在渠坡底部時(shí)不同地下水位高度下的滲流量最大，這有利于渠基土中地下水向渠道中排泄，從而降低渠基土的含水率，有利于渠坡的穩(wěn)定性。由于基土含水率下降，渠基土的凍脹量也明顯偏小，有利于減輕凍脹作用對混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞，有利于提高渠道襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性。因此，建議將透水體設(shè)置在渠坡底部。

表1 不同透水體位置方案滲流量和凍脹量試驗(yàn)結(jié)果

3.2 透水體厚度

研究中保持透水體在渠坡底部，透水體的長度為40cm不變，對不同透水體厚度方案下的滲流量和凍脹量進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制出滲漏量和凍脹量隨透水體厚度的變化曲線，結(jié)果如圖2—3所示。由圖2—3可以看出，滲流量隨著透水體厚度的增加而緩慢減小，但是減小的幅度較為有限。究其原因，主要是透水體由塊石砌成，內(nèi)部滲流通道較多，其厚度不會(huì)對滲流量造成顯著影響。從凍脹量來看，隨著透水體厚度的增加，凍脹量最大值呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點(diǎn)，但是厚度超過5cm時(shí)減小的幅度較為有限。究其原因，主要是透水體厚度的增加需要同時(shí)增大下部砂礫石墊層的厚度，因此抗凍脹效果有所改善。鑒于透水體厚度的增大會(huì)顯著增加工程的開挖施工量和墊層工程量，綜合考慮工程經(jīng)濟(jì)性和抗凍脹效果，建議采用透水體的厚度為5cm，按幾何比尺折算，背景工程建議采用25cm厚的透水體。

圖2 滲流量隨透水體厚度變化曲線

圖3 凍脹量最大值隨透水體厚度變化曲線

3.3 透水體長度

試驗(yàn)中將透水體設(shè)置在渠坡底部，透水體厚度保持5cm不變，對不同透水體長度方案進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制出如圖4—5所示的滲流量和凍脹量最大值隨透水體長度的變化曲線。由圖4—5可以看出，渠道的滲流量隨著透水體長度的增加而迅速增加，后逐漸趨于平穩(wěn)；凍脹量隨著透水體長度的增加而迅速減小后逐漸趨于平穩(wěn)。當(dāng)透水體長度大于30cm時(shí)，滲流量和凍脹量最大值的變化幅度相對較小。同時(shí)，增加透水體的長度對渠道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定型會(huì)產(chǎn)生一定的影響，采用較大的透水體長度還增加混凝土框格梁結(jié)構(gòu)尺寸，從而增加工程投資。因此，按照幾何比尺計(jì)算，背景工程透水體的長度以150cm為宜，也就是在兩側(cè)渠坡部位各設(shè)置長度為75cm的透水體。

圖4 滲流量隨透水體長度變化曲線

圖5 凍脹量最大值隨透水體長度變化曲線

4 結(jié)語

在北方寒區(qū)高地下水位地區(qū)的渠道襯砌工程建設(shè)中，采用透水襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以有效降低渠基土的含水率，降低冬季低溫條件下的凍脹破壞。此次研究探討了透水體的不同設(shè)計(jì)參數(shù)對渠道滲流量和凍脹量的影響，并提出了最佳設(shè)計(jì)方案，不僅可以為背景工程的設(shè)計(jì)施工提供支持，對相關(guān)類似工程研究也具有借鑒意義。當(dāng)然，此次研究主要通過室內(nèi)模型試驗(yàn)的方式展開，而室內(nèi)模型很難對工程現(xiàn)場的情況進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，因此此次研究的結(jié)果仍有待工程實(shí)踐檢驗(yàn)。此外，在今后的研究中還應(yīng)該進(jìn)一步研究和探索更多的透水體結(jié)構(gòu)，以獲得更好的抗凍脹工程效果。