模袋混凝土渠道凍脹特點及防治研究

紀 娟

(嶺南水務集團有限公司，北京 100068)

0 引 言

凍脹現象是凍土區的常見問題，我國凍土區十分廣闊，季節性凍土占國土面積53.3%，而多年凍土占21.5%[1-2]。凍脹現象會對諸多設施造成影響，如隧道、路基、渠坡等，并對基礎設施造成較大威脅[3-5]。

針對凍脹現象，許多研究者進行了多方面研究。李曉洋[6]等基于傳感器與數據傳輸系統，設計了一套凍脹監測系統。牛帥帥[7]等利用數值模擬，對凍脹荷載對巖體破壞特性進行了研究。亓守臣[8]對季節性凍土區路基的性能進行了多方面評價。

為研究模袋混凝下渠坡凍脹特征，本文對渠坡進行不同厚度模袋混凝土鋪設，并利用不同厚度聚苯板對其進行保溫處理，監測陰陽坡面的凍脹量，從多方面進行研究，分析其凍脹特點，為防治凍脹提供對策。

1 試驗材料和方法

1.1 工程內容

加固臺山市境內的白沙、水步及大江段堤防，重建或加固沿線穿堤水閘20座；重建或新建穿堤涵竇21座；新建水閘16座。臺山段防洪標準為30年一遇，堤防工程級別為3級。

1.2 試驗設計

試驗區域為江門市一干渠，該地區試驗區段長110m，地下水位深度約2.3m。試驗中，設置11種不同類型的保溫結構，每種試驗結構斷面的試驗長度為10m。所監測的加固臺山市境內的白沙、水步及大江段堤防，全長23.165km(其中大江段14.19km，水步段4.285km，白沙段4.69km)；重建或加固沿線穿堤水閘20座；重建或新建穿堤涵竇21座；新建水閘16座。臺山段防洪標準為30年一遇，堤防工程級別為3級。監測對象為渠坡凍脹量，開始監測的時間為2021年11月，監測時長5個月。以聚苯板作為保溫試驗材料，規格為25kg/m3。材料的力學性能見表1。

表1 聚苯板基本性能

具體試驗方法：在每個試驗結構的陰陽面各設置一個變形監測點，用來監測因凍脹產生的變形。監測點平行布置于渠坡且均勻分布，各監測點之間相距20m。對于凍脹量，通過設置凍脹基準樁測量。在渠頂設置基準樁，將三腳架安裝于基準點。測量基尺位于三腳架上，并與渠坡面平行，以基尺與襯砌面板的距離計算得出凍脹引起的變形量。實驗裝置由模袋混凝土與保溫聚苯板構成，斷面示意圖見圖1。試驗區具體模袋混凝土配置與處理方法見表2。

圖1 實驗結構斷面圖

表2 試驗區具體試驗方案

根據監測所得凍脹變形量對不同厚度的保溫聚苯板防凍脹效果作出評價，優選出適宜的抗凍脹措施，為模袋混凝土抗凍脹提供對策。

2 試驗結果

2.1 模袋混凝土的凍脹特性

圖2為試驗區一年中渠坡下部1/3處由不同模袋混凝土與保溫聚苯板處理后的凍脹量變化趨勢圖。圖2中包括陽坡和陰坡的凍脹變化特征，監測時段為2021年11月至2022年4月。

由圖2可知，所有條件下的渠坡凍脹量變化均呈相同的變化趨勢。11月29日，開始產生凍脹變形，并呈現較大的增長速度；1月18日左右，增長速度開始減緩；2月3日左右，變形達到最大值；2月20日左右，開始迅速減小；4月8日，變形基本消失。模袋混凝土的厚度增大會減緩凍脹變形，陰面坡面相對于陽面坡面變形量也會較小。聚苯板的設置會顯著降低凍脹量，未設置聚苯板的模袋混凝土下渠坡凍脹變形幅度均遠大于保溫處理過的渠坡。陰坡的凍脹量變化幅度要大于陽坡，凍脹變形幅度最大的是未經保溫處理的厚8cm模袋混凝土陰面坡，幅度最小的是設置聚苯板的厚15cm模袋混凝土陽面坡。

圖2 不同試驗條件下模袋混凝土凍脹量變化趨勢

2.2 聚苯板處理模袋混凝土保溫效果

為具體分析模袋混凝土厚度以及聚苯板厚度對凍脹變形量的影響，同時對其他試驗變量進行研究，將未經保溫處理的模袋混凝土下渠坡下部1/3處具體凍脹量在表3列出，將厚8cm模袋混凝土經設置聚苯板后的渠坡下部1/3處具體凍脹量在表4列出。

表3 無保溫處理的模袋混凝土下渠坡具體凍脹量

表4 厚8cm模袋混凝土保溫處理后渠坡具體凍脹量

由表3可知，模袋混凝土厚度的增大是一種較為有效的抗凍脹措施。當厚度增大時，渠坡的凍脹量呈降低趨勢，且厚度越大，抗凍脹效果越好。厚8cm模袋混凝土下渠坡凍脹量最大可達109.3mm，而厚15cm模袋混凝土為66.3mm。未經保溫處理的厚12cm模袋混凝土與厚8cm模袋混凝土下渠坡相比，陽坡的最大凍脹變形量減小17.1%，當厚度增大至15cm時，凍脹降低率達到41.0%。

由表4可知，4cm聚苯板可使厚8cm模袋混凝土下渠坡凍脹量降低48.04%～51.10%；當聚苯板厚度增大至12cm時，最大可將凍脹效應降低89.51%，說明聚苯板的設置對渠坡有顯著的防凍脹效果。陰坡的凍脹量與陽坡相比較高，最大變形要高出7%～20%，這與試驗區的天氣變化相符合。

2.3 凍脹量與模袋混凝土厚度的相關性

由上文可知，模袋混凝土厚度的增大會緩解凍脹現象。為準確判斷模袋混凝土厚度與渠坡凍脹量之間的關系，現對一個凍融循環內，未經保溫處理的3種厚度的模袋混凝土下渠坡最大凍脹量進行收集與整理。將整理出的數據中模袋混凝土厚度與陽坡、陰坡的凍脹量進行擬合，并對其相關性進行分析。擬合曲線見圖3。

擬合表達式如下：

(1)

(2)

式中：y1為陽坡預測最大凍脹量；x1為陽坡模袋混凝土厚度；y2為陰坡預測最大凍脹量；x2為陰坡模袋混凝土厚度。

圖3 不同模袋混凝土厚度與渠坡最大凍脹量擬合曲線

由圖3、式(1)和式(2)可知，模袋混凝土與凍脹量之間存在負線性相關關系，陰坡與陽坡的擬合決定系數R2均在0.9以上，說明相關性較高。與陰坡相比，陽坡與凍脹量之間的負相關曲線斜率較緩，這與2.1一節中提到的陰坡凍脹量變化趨勢幅度更大相互印證。該擬合曲線具有較高的準確性，可為實際工程提供凍脹預測值。

2.4 試驗區殘余變形特征

試樣在承受荷載后會發生變形，殘余變形是指其變形后不可恢復的一部分。現將不同保溫條件下的渠坡下部1/3處殘余變形進行統計，并對殘余變形特征進行分析。不同試驗條件下渠段殘余變形量見圖4。

圖4 殘余變形統計

由圖4可知，隨著模袋混凝土厚度增大，渠段殘余變形量呈降低趨勢，但降低幅度不大，無保溫處理的渠坡最低殘余變形量在15cm模袋混凝土下為1.2cm；最高殘余變形量在8cm模袋混凝土下為1.8cm。對于相同條件下的渠坡，陰坡殘余變形量相較于陽坡較大。對渠坡設置保溫聚苯板后，其殘余變形量會降低，對于厚度為8cm與15cm的模袋混凝土，在分別設置厚12cm與6cm的聚苯板后，殘余變形基本不會發生。但對于12cm模袋混凝土，聚苯板雖有較為顯著的降低殘余變形功能，但最低仍有0.4～0.6cm的殘余變形量。

2.5 渠坡不同位置凍脹特征

對試驗區渠坡上下部1/3處與1/2處的凍脹量進行收集，統計時間段為2021-2022年間的凍脹時期。收集的數據在表5中列出。根據表5繪制出8、12與15cm模袋混凝土下渠坡不同位置最大凍脹量的變化趨勢圖，見圖5。

表5 渠坡不同位置最大凍脹量

圖5 不同渠坡位置凍脹特征

由圖5可知，相同條件下，位置越靠近渠坡上部，其凍脹量越小，渠坡上部1/3處相較于下部1/3處最大凍脹量低5%～38%。保溫聚苯板對渠坡的抗凍脹功能提升最明顯的是渠坡上部1/3處。隨著聚苯板厚度增大，所有條件下渠坡凍脹量均顯著下降，且相同模袋混凝土厚度下渠坡所有位置的凍脹量開始接近。在聚苯板厚度達到12cm時，厚度8與12cm模袋混凝土下渠坡所有部位凍脹量基本相同；在聚苯板厚度達到6cm時，厚度15cm模袋混凝土下渠坡所有部位凍脹量基本相同。

3 結 論

1)不同條件下，渠坡總體凍脹量隨時間的變化呈相同趨勢，大致在12月初開始發生凍脹現象，并呈現較大的增長趨勢，凍脹量的增長大致在2月初結束，此時渠坡凍脹量最大。凍脹量達到峰值，凍脹量開始降低，且降低趨勢逐漸增大，在4月上旬，凍脹現象基本消失。

2)增大模袋混凝土的厚度可緩解渠坡凍脹現象，厚度越大，凍脹量降低越明顯。渠坡下部1/3處，厚8cm模袋混凝土下渠坡凍脹量最大可達109.3mm，而厚15cm模袋混凝土為66.3mm，凍脹量降低39.3%。

3)設置聚苯板可顯著降低渠坡的凍脹量，4cm聚苯板即可使厚8cm模袋混凝土下渠坡凍脹量降低48.04%～51.10%。當聚苯板厚度增大時，渠坡抗凍脹性能也會隨之增大；當聚苯板厚度增大至12cm時，可基本消除厚8cm模袋混凝土下渠坡凍脹現象。

5)相同條件下，渠坡的陰面坡的凍脹量與陽面坡相比較高，最大凍脹量要高出7%～20%。渠坡上部的凍脹量要低于下部，渠坡上部1/3處相較于下部1/3處最大凍脹量低5%～38%。保溫聚苯板對渠坡上部的抗凍脹性能提升更明顯，隨著設置的保溫聚苯板厚度增大，渠坡不同位置的凍脹量逐漸接近，最終相同條件下渠坡所有位置凍脹量基本相同。