HDPE與混凝土襯砌板復合襯砌渠道抗凍脹性能試驗研究

季 偉

(濱州市引黃灌溉服務中心，山東 濱州 256600)

0 引言

水資源是人類賴以生存的重要資源，對人類生存和經濟發展發揮著不可或缺的重要意義和作用[1]。我國水資源分布存在嚴重的時空不均現象，進一步加劇了現代社會背景下水資源的供需矛盾。我國是農業大國，農業一直是水資源消耗大戶，而農業用水效率低下不僅造成水資源的極大浪費，同時也成為制約我國北方缺水地區農村經濟社會發展的重要因素[2]。在這一背景下，優化和改進節水灌溉系統具有十分重要的價值和作用。在農田水利工程建設中，小型農渠采用裝配式渠道襯砌具有投資水平低、施工效率高、后期維護整修方便等顯著優勢，因此在具體工程實踐中得到廣泛應用，并成為農業節水研究的重要方向[3]。受到我國地理位置和氣候因素的影響，超過半數地區的冬季氣溫在0℃以下，農田渠道在冬季低溫期會面臨凍融作用的影響。特別是北方寒區，冬季時間相對較長，渠道在經過冬春凍融循環后襯砌結構會發生凍脹破壞，不僅會影響農田水利工程的耐久性，還會造成水資源的浪費[4]。因此，改善裝配式小型渠道凍脹現象，實現灌溉用水的節約就成為亟待解決的問題。

目前，灌溉渠道裝配式襯砌一般采用混凝土材料制成，而混凝土材料具有抗壓強度大、抗拉能力弱，在凍融循環作用下損傷較大的問題，且破壞后不易修復。針對這一問題，部分地區采用玻璃鋼和PE(聚乙烯)等彈塑性材料修建襯砌渠道[5]。聚乙烯是乙烯經過聚合反應得到的產物，具有機械性能良好、制作成型難度低、化學穩定性好等優勢，在生產和生活中有廣泛的應用。目前，已有將高密度聚乙烯(HDPE)用于渠道襯砌工程的案例。結果顯示，HDPE襯砌渠道有助于減輕基土凍脹力且不會發生斷裂破壞，顯示出良好的防滲抗凍脹效果。但是，HDPE襯砌渠道也有其不足之處，主要是襯砌結構厚度小、質量輕的特點，約束加固問題比較突出，一旦處理不當就會造成整體大位移變形，導致渠道破壞?；诖耍醒芯刻岢鲈谇郎喜坎捎觅|量較大的混凝土襯砌板、下部采用具有良好抗凍脹性能的HDPE材料，并顯示出良好的應用前景[6]。此次研究利用現場試驗的方式，探討HDPE與混凝土襯砌板復合襯砌結構參數對凍脹變形的影響，以便為相關工程應用提供借鑒。

1 試驗設計與方法

1.1 試驗區概況

此次現場試驗的試驗區為山東地區某灌區的3#支渠092號斗渠，試驗區以玉米種植為主，每年需要利用渠道灌溉3～5次。試驗區屬于中溫帶大陸性半干旱氣候，年平均氣溫為10.3℃，極端最高和最低氣溫分別為37.8、-39.5℃。年均降雨量為385mm，主要集中于6—9月份，一般占全年降水總量的7成左右。冬季土壤凍結深度0.9m，最大凍深1.3m，一般在11月中旬開始凍結，次年4月初開始解凍，凍結時間為125～140d。試驗區的土壤主要是普通灌淤土，多為中到輕壤土，孔隙度52.1%，容重1.5g/cm3。試驗區的地下水主要是第四系松散沉積物孔隙水，主要通過潛水蒸發和水平排泄。

1.2 試驗段條件

此次試驗選擇的是092號斗渠斗口以南50～120m部位，試驗段總長120m。該段渠道襯砌建成于2013年，經過多年運行之后破壞情況比較嚴重，因此灌區決定拆除重建，并在建設中采用HDPE與混凝土襯砌板復合襯砌結構。根據工程勘查和初步設計資料，該渠道的地下水埋深為2.5～3.2m，設計流量為1.29m3/s；渠道底部圓弧半徑為0.8m，渠道坡降為1/1200～1/1500，渠坡傾角為20°，渠深為1.2m，渠道口寬為2.0m。

1.3 試驗方案

結合復合襯砌結構的工程應用經驗和相關理論，認為對灌溉渠道襯砌凍脹量影響較大的襯砌結構參數為HDPE厚度、混凝土襯砌板厚度、混凝土襯砌板長度以及混凝土標號[7]。結合數值模型背景工程的實際情況，設置玻璃鋼厚度3、4、5、6、7、8mm；設置混凝土襯砌板厚度為30、40、50、60、70、80mm；設置混凝土襯砌板長度為50、55、60、65、70、75cm；設置C25、C30、C35、C40、C45共5種不同的混凝土等級水平進行試驗。為了減少試驗工作量，試驗中采用固定3個變量的方式，研究第4個變量對渠道襯砌結構凍脹量的影響。具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案設計參數

1.4 試驗方法

為了避免不同試驗方案之間的相互影響，試驗中每種方案的試驗長度為5m，并在各試驗段的中間斷面部位進行試驗數據測試。根據試驗研究的目的和內容，確定試驗監測的主要襯砌結構的凍脹變形。

凍脹量的監測采用鋼絲法，其具體過程為：①先鉆孔埋設好鋼筋樁和保護管，在埋設過程中保證牢固，以保護管和渠道襯砌結構變形的同步性，而鋼筋樁不隨凍脹作用變形。②在鋼筋樁距離監測表面的一定高度刻槽并拉設鋼絲，然后在監測表面設定監測點進行監測。③結合渠道走向以及渠道襯砌結構凍脹變形的特點，在監測斷面設置4個監測點位，分別是底部中間(點位1)、渠坡靠近底部1/3處(點位2)、靠近頂部1/3處(點位3)、渠頂(點位4)。在試驗過程中做好數據記錄，試驗結束后通過對試驗數據的整理和對比分析獲得不同因素對襯砌凍脹變形的影響。

2 計算結果與分析

2.1 HDPE厚度

研究中根據現場試驗試驗數據，計算獲取混凝土襯砌板厚度為50mm、長度為60cm、混凝土等級為C35條件下不同HDPE厚度方案的渠道襯砌結構的凍脹量，結果如圖1所示。從計算結果可以看出：在HDPE厚度相同的情況下，不同監測點位的凍脹量差異比較顯著。其中，凍脹量最大的為點位3，其次是點位2和點位4，點位1的凍脹量最小，由此可見，HDPE襯砌結構的深度較大，且整體性較好，對凍脹量的控制比較有利?；炷烈r砌板和HDPE襯砌結構的交界部位的凍脹量最大，是復合襯砌結構的薄弱部位，在施工設計和建設中需要予以更多的關注。各監測點位凍脹量隨著HDPE厚度的增加呈現出不斷減小的變化特點，但是減小的速率也不斷變小。具體來看，當HDPE厚度小于5mm時，凍脹量的減小幅度較大，大于5mm時的減小幅度較為有限。鑒于HDPE的成本相對較高，綜合考慮成本和抗凍脹效果，建議采用厚度為5mm的HDPE。

圖1 凍脹量隨玻璃鋼厚度變化曲線

2.2 混凝土襯砌板長度

研究中根據現場試驗試驗數據，計算獲取HDPE厚度為5mm、混凝土襯砌板厚度為50mm、混凝土等級為C35條件下不同混凝土襯砌板長度方案的渠道襯砌結構的凍脹量，結果如圖2所示。由圖2可以看出，不同混凝土襯砌板的長度方案的凍脹量存在顯著差異，說明混凝土襯砌板長度也是渠道襯砌結構凍脹量的重要影響因素，需要在工程設計建設中予以考慮。總體來看，各點位的凍脹量隨著襯砌板長度的增加呈現出先減小后增加的變化特點。由此可見，過長或過短的混凝土襯砌板的長度都不利于凍脹量的控制。究其原因，長度過短時混凝土襯砌板的質量過小，不利于發揮其壓重作用；長度過長則導致下部HDPE結構深度過小，不利于發揮其良好的抗凍脹性能。從具體的試驗結果來看，襯砌板的長度為65cm時的復合襯砌結構的凍脹量最小，應為混凝土襯砌板的最佳長度。

圖2 凍脹量隨混凝土襯砌板長度變化曲線

2.3 混凝土襯砌板厚度

研究中根據現場試驗數據，計算獲取HDPE厚度為5mm、混凝土襯砌板長度為65cm、混凝土等級為C35條件下不同混凝土襯砌板厚度方案的渠道襯砌結構的凍脹量，結果如圖3所示。由圖3可以看出，隨著混凝土襯砌板厚度的增加，各點位的凍脹量均呈現出不斷減小的變化特點，同時減小的速率也不斷減小。具體來看，當混凝土襯砌板的厚度小于60mm時，凍脹量的減小幅度較大，當混凝土襯砌板的厚度大于60mm時，凍脹量的減小幅度有限。綜合額考慮工程的經濟性和抗凍脹性能，建議采用60mm的混凝土襯砌板厚度。

圖3 凍脹量隨混凝土襯砌板厚度變化曲線

2.4 混凝土強度等級

研究中根據現場試驗數據，計算獲取HDPE厚度為5mm、混凝土襯砌板長度為65cm、混凝土襯砌板厚度60mm條件下不同混凝土等級方案的渠道襯砌結構的凍脹量，結果如圖4所示。由圖4可以看出，隨著混凝土強度等級的提高，渠道襯砌結構的凍脹量呈現出不斷減小的變化趨勢。由此可見，提高襯砌板混凝土的強度等級有利于控制渠道襯砌結構的凍脹量。另一方面，不同混凝土等級條件下各點位的凍脹量變化量相對較小，說明混凝土強度等級對凍脹量的影響不大，不是凍脹量的主要因素。顯然，大幅提高混凝土強度等級并不能獲得顯著的凍脹量控制效果，但是工程成本將顯著提高。當然，過小的混凝土強度等級也會影響工程質量和耐久性方面的問題。因此，在工程設計中仍推薦采用水利工程中常用的C30混凝土。

圖4 凍脹量隨襯砌板混凝土強度等級變化曲線

3 結語

在寒區輸水渠道工程運行過程中，凍脹破壞會嚴重影響輸水渠道的質量和耐久性。針對這一問題，文章提出上部采用混凝土襯砌板，下部采用玻璃鋼的復合渠道襯砌結構。該結構可以有效發揮混凝土和玻璃鋼材料的優勢，提升襯砌結構的抗凍脹性能，可以為襯砌結構設計提供新的思路和方向。同時，文章還利用現場試驗的方式對襯砌結構設計參數進行優化，并提出最佳設計方案，可以為背景工程施工提供一定的指導。受到諸多因素的制約，文章僅探討了襯砌結構參數的影響，而渠道凍脹變形破壞還和渠道的截面形狀存在密切關系，在今后的研究中需要在這方面進行進一步的探索和分析，以便獲得更為科學和全面的結論。