凍脹對混合襯砌型梯形渠道的影響

2023-11-17 04:48:58陳凱

水利科技與經濟 2023年11期

陳凱

(新疆昌源水務集團有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引言

輸水渠道是灌溉工程的重要組成部分,渠道的安全運行直接關系到灌區的農業生產和社會經濟發展。在寒冷地區,輸水渠道面臨著嚴重的凍脹破壞問題,給灌區帶來巨大的經濟損失和生態風險[1]。為防止輸水渠道的凍脹破壞,常用的方法是采用襯砌結構來保護渠道。剛性襯砌具有強度高、耐久性好、維護費用低等優點,但存在著施工難度大、成本高、易開裂等缺點[2];柔性襯砌具有施工方便、成本低、適應性強等優點,但存在著強度低、易老化、易損壞等缺點[3]。為此,研究人員提出了許多解決方案,其中包括采用剛柔混合襯砌結構[4]。該結構采用剛性和柔性兩種材料的組合,既能夠保證渠道的穩定性,又能夠緩解凍脹對渠道的影響[5-6]。

剛柔混合襯砌結構在季節凍土區的凍脹機理尚不清楚,為了探明這些問題,本文以梯形截面為例,采用室內試驗方法,對東港市土壤改良試點的灌溉與排水工程凍土區剛柔混合襯砌梯形渠道的凍脹機理進行系統分析,為渠道工程的設計和施工提供參考。

1 工程概況

東港市土壤改良試點的灌溉與排水工程位于坡度為6°～12°的丘陵地區,年徑流量105 000×104m3。灌溉與排水工程的主要內容是排澇溝的襯砌和配套設施的建設。排澇溝的襯砌方式有4種,分別為預制混凝土梯形槽、現澆混凝土梯形槽、現澆混凝土梯形溝和漿砌石擋土墻,總長度28 929m。配套設施包括路涵、農道橋、過水路面和預制混凝土管,總長度1 593m。

2 試驗準備

本文基于土渠基礎的穩定性和已有的研究成果,采用等厚板模型,對混凝土襯砌板進行設計。混凝土襯砌板的厚度定為12cm,采用C20級混凝土,其彈性模量2.3×104MPa。為了防止水滲透,渠道坡板和底板下方鋪設復合土工膜,同時采用現澆混凝土作為護坡材料。渠道邊坡經過蛙式打夯機的夯實處理,確保干密度不低于1.6g/cm3,土壤含水率在16%～23%之間。渠道設計流量21m3/s,最大流量26 m3/s。

本文對該渠道的結構性能進行分析和評價。為了評估復合襯砌渠道在實際工作環境下的凍脹行為,試驗段在進行凍脹試驗之前,按照設計規范進行水位試驗。渠道兩側的百葉箱內安裝有溫度計、最高溫度計和最低溫度計,用于每日記錄氣溫的變化情況。

為了研究混合襯砌渠道的土壤溫度和凍土層厚度的變化,選擇兩個長度均為300cm的試驗段。在渠道的左岸、渠底和右岸各布置3個測溫點,分別用A、B、C和E、F、G表示,見圖1。此外,在渠底安裝一個測溫點D。每個測溫點均采用WS-4型多層次遙感土壤溫度計,可同時測量不同深度的土壤溫度。每天收集土壤溫度數據,并計算每個測溫點的日最高和最低土壤溫度。

為了探究渠道凍土的變化規律,在地溫測試段的基礎上,增設凍深測試段,共有7個測試點。使用LQX-DT型凍土器作為凍深測量儀器,將其垂直埋入土壤中,與地面齊平。在冬季凍結過程中,每天早8時記錄凍深數據,并根據這些數據繪制不同測試點的凍深變化曲線。同時,為了分析渠道的凍脹應力變化規律,設計一個長400cm的凍脹應力測試段,其測試點的位置和數量與凍深測試段一致。使用應變式荷重傳感器來測量凍脹應力,每天對每個測試點進行一次測量,每個測量面積為4.0m2。通過上述方法,可以探究渠道在凍融循環中的應力演變特征。

本研究目的是通過試驗手段,探討復合襯砌渠道在凍融循環下的變形特征。為此,建立一個長500cm的凍脹變形試驗段,并在渠底中心、設計水位1/3處、設計水位2/3處、設計水位和渠道超高保護層中心處設置9個觀測點。利用預埋固定件和水準儀、經緯儀相結合的方法,分別測量水平方向和垂直方向的位移,并通過向量運算,求得渠坡方向的位移,即復合襯砌結構的凍脹量。同時,建立一個長2 000cm的土壤水分變化試驗段,觀測點的位置與地溫試驗段一致。根據不同的觀測時間,選擇適當的觀測點數量。使用土鉆在混合襯砌體下不同深度處采集土樣,并用干燥法確定土壤的含水率。每次采樣后,用原土料填充原位,以保證含水率的測量結果與實際情況一致。下次采樣距上次采樣距離為30～50cm。

3 結果與分析

3.1 氣溫及不同深度地溫變化規律

圖2為試驗區在整個凍融周期(140d)內的極端氣溫變化情況。極端氣溫經歷了兩次低點和一次高點,第一次低點出現在2020年1月8-10日,最低氣溫為-25℃;然后氣溫有所上升,直到2020年1月30日為-11 ℃;之后氣溫又逐漸下降,在2014年2月18日達到-24℃,這是第二次低點;接下來氣溫又開始波動升高,在2020年3月19日最低氣溫上升到1℃。在整個凍融周期中,氣溫呈現出波動的變化特征。

圖2 試驗區氣溫變化

剛柔混合襯砌渠道是一種具有抗滲性能的新型渠道結構,它利用復合土工膜作為渠道的防滲層,有效解決了滲漏、凍裂等問題。圖3為剛柔混合襯砌渠道各部位的最低地溫變化情況。從圖3可以看出,陰坡的最低地溫最低,陽坡的最低地溫最高;陰坡的最低地溫達到-25℃,陽坡的最低地溫達到-21℃。剛柔混合襯砌渠道各部位的最低地溫變化趨勢與氣溫變化趨勢相同。即當氣溫下降或上升時,剛柔混合襯砌渠道各部位的最低地溫也隨之下降或上升。與圖2相比,各部位的最低地溫也有兩個波谷和一個波峰,第一個波谷出現在2020年1月10-11日。各部位的最低地溫變化與日最低氣溫變化比較相似。對比氣溫和最低地溫的變化情況可以發現,最低地溫的變化稍微滯后于氣溫的變化。

圖3 渠道不同部位地溫

3.2混合襯砌渠道凍深、凍脹量及凍脹力變化

采用DTM-2型凍土器來檢測凍土的變化情況,把它沿著垂直于測點平面的方向埋入地下。在凍結過程中,每天對凍土器進行觀測,測量各測點的凍深值。圖4為剛柔混合襯砌渠道不同測點的凍深變化曲線,表明凍土的生成和演化過程。

圖4 渠道不同測點凍深

采用固定件水準儀和經緯儀,分別對水平位移和垂直位移量進行測量,以得到凍脹變形數值。在渠道四周10m范圍內,設置深1.8m的基準高程點。該深度低于歷史最大凍深(1.72m)的實測值,可避免凍拔現象對測量結果的影響。為了利用經緯儀進行觀測,在渠道中心選擇3個固定點作為儀器的放置點,每次觀測時,都要保證經緯儀準確放在固定點上,然后依次記錄特征點的角度。

為了測量凍脹應力,在自凍結過程中,每天利用荷重傳感器記錄數據。以4.0m2的混凝土襯砌渠道為試驗對象,其凍脹應力的最大值發生在陰坡的1/3高度處,達到178kPa。渠道底部的凍脹應力也較高,為163kPa。在冬季,混合襯砌渠道的陰坡和渠底受到嚴重的凍脹作用,造成襯砌結構的變形和位移。其中,陰坡的E點和渠底的D點是凍脹位移最大的兩個點,分別為13.1和11.2cm。其次是陰坡的F、G兩點,其位移也超過9cm。陽坡的位移則相對較小。隨著氣溫的升高,凍脹位移有所縮小,但仍有一定的殘留。

在原型渠道凍脹試驗中,復合襯砌渠道受到渠基土壤凍脹力的影響,其大小與最低地溫有關。陰坡E點和底部D點的復合襯砌結構承受最大的凍脹力,分別為178和163kPa;而陽坡的凍脹力相對較小。最低地溫達到極值時,凍脹力也隨之達到最大值,且主要集中在渠道陰坡底部上方1/3的區域。隨著最低地溫的升高,凍脹力逐漸減小,最后穩定在一個負值,這是由于最低溫度升高導致渠基土壤融化下沉所致。

3.3 土壤水分變化

為了研究剛柔混合襯砌渠道在季節凍土區的凍脹機理,本文對渠基土壤在不同位置和深度的含水率進行測試和計算。圖5為凍結期不同測點含水率隨土層深度的變化趨勢。從圖5可以看出,在凍結期,無論是陰坡、陽坡還是渠底,都呈現出相同的水分變化規律。即在0～60cm土層內,含水率隨著深度的增加而增加;在60～120cm土層內,含水率隨著深度的增加而減少。深度60cm處是土壤水分最高的地方,也是土壤凍結鋒面所在,這使得渠底和陰坡受到較大的凍脹作用。

圖5 不同測點含水率與深度的關系

3.4柔性復合土工膜的變形特征和強度變化

復合土工膜是一種能夠防止滲漏和抵抗凍脹的柔性材料,它能夠適應基礎的變形。為了檢測一個凍融周期后復合土工膜的性能變化,在試驗段的不同位置隨機抽取復合土工膜的試樣,包括陽坡、渠底和陰坡各3個。使用TZY-1型土工合成材料綜合測定儀,對試樣的強度和變形進行測試。經過一個凍融周期后,復合土工膜的剩余強度和延伸率的變化見表1。根據測試結果,復合土工膜在經歷一次凍融循環后,由于凍脹力的影響,其縱向和橫向的抗拉強度分別降低9.4%和8.1%,最低值分別為4.9和4.4 kN/m;其伸長率下降8%,損傷率為5.6%。但材料的強度和極限伸長率仍然高于90%,表明復合土工膜的性能損失較小,不會對工程的安全造成影響。