混凝土渠道襯砌的抵抗力影響因素及破壞特征研究

何曉琦

（寧夏漢延渠管理處，寧夏 永寧 750100）

0 引言

渠道防滲襯砌是減少輸水損失、提高輸水效率、保護岸坡穩(wěn)定、有效控制地下水位的普遍工程措施，在發(fā)展節(jié)水灌溉中占有十分重要的地位。研究表明，沒有襯砌的土渠，其滲漏損失約占總引水量的30%-60%，這就是說，如果渠道不襯砌，灌溉用水的40%-70%，將在渠道輸水過程中被滲漏掉。我國目前仍有60%以上的渠道沒有防滲襯砌，渠系水利用系數(shù)平均不到0.5，50%以上的灌溉水在渠道輸水過程中被損失，每年由灌溉渠道滲漏損失的水量高達1650億m3，接近我國總用水量的1/3，占農業(yè)總用水量的45%，灌溉用水浪費十分嚴重。采用渠道防滲工程技術，可以減少滲漏損失的70-90%，如按減少滲漏損失80%計算，每年可以節(jié)約水量1300 多億m3，由此可見，渠道防滲節(jié)水潛力巨大。

1 混凝土渠道襯砌的抵抗力影響因素

1.1 材料強度

從材料方面說，渠道襯砌的材料具有一定的孔隙，又經常處于水環(huán)境中，其內部總是含有一定的水分，在低溫下結成冰，體積會發(fā)生膨脹，當這種作用引起的應力超過材料強度時，就會使襯砌體表面產生一定數(shù)量的小裂縫，再經過數(shù)次的周期性凍融循環(huán)，襯砌裂縫的擴展增強了滲漏，加快了基土的凍脹及襯砌的凍脹破壞，加劇水分進入襯砌體內部，從而使襯砌體產生剝蝕。因此，可以通過改善襯砌材料性能來適應不均勻凍脹破壞，如聚丙烯（PP）纖維混凝土、新型土工復合防滲膜等。我國青海省試驗觀測，在凍脹量7-9cm時，玻璃絲布油氈防滲體，由于是柔性體能適應凍脹變形，未見破壞現(xiàn)象。

1.2 結構形式

從結構方面來說，渠道襯砌是修筑在渠道基土上的薄壁輕型結構，在凍脹作用下，各部位的受力不均勻，襯砌體抵抗能力不強，也易使砌體破壞，如襯砌板斷裂，坡板滑塌等。因此，在設計渠道時采用合理的襯砌形式，可有效地削減、適應或回避凍脹。根據(jù)凍土工程國家重點實驗室的研究結果，弧底梯形渠襯砌、弧形坡腳梯形渠襯砌和U 形渠襯砌是比較好的抗凍脹襯砌形式。

2 混凝土襯砌渠道破壞的特征

混凝土是一種剛性襯砌材料，在渠道襯砌中有預制板式和現(xiàn)澆式兩種，多以素混凝土為主。當冬季渠床產生不均勻凍脹時，由于混凝土襯砌本身較薄，且材料彈性很小，抗拉強度低，適應變形能力差，在凍脹力作用下易出現(xiàn)鼓脹、裂縫、架空及整體上抬等破壞現(xiàn)象，又必然加劇凍脹破壞進程，這樣年復一年周期性凍融循環(huán)作用，使襯砌體破壞越來越嚴重。

2.1 梯形混凝土襯砌渠道

梯形渠道由于坡腳處襯砌板的相互約束及其對基土凍脹的約束，凍脹分布很不均勻，鄰近坡腳處的凍脹量很小，但渠底板兩端受渠坡板的約束，凍脹變形中部大而兩端小，渠底中部彎矩較大；渠坡板下部受底板約束，上部受凍結力約束，下部凍脹量大，所以在中下部彎矩較大；鄰近坡腳的凍脹力很大，凍脹不均勻系數(shù)也大，還存在殘留凍脹量，襯砌體整體上抬是由渠底向上的凍脹變形和兩側渠坡法向凍脹變形產生，但在變形過程中，渠底板受到渠坡板約束成壓彎構件，渠坡板受到渠底板及凍結力約束成為偏心受壓構件，所以在渠坡下部和渠底中部容易產生凍脹破壞。

梯形混凝土襯砌渠道的破壞特征是沿渠道軸線方向，渠道邊坡裂縫的部位多在中下部（距邊坡底部1/4-1/3 坡長處），渠底板的裂縫在中部；渠道整體在不均勻凍脹變形作用下，產生整體上抬現(xiàn)象，特別是地下水埋深較淺時，上抬現(xiàn)象更明顯。圖1 為渠內無水且渠頂無水補給時，均質土渠梯形混凝土襯砌結構渠道的凍脹變形及裂縫位置示意圖。渠內有水時一般不發(fā)生凍害，渠坡襯砌板在水面以上部分與圖示情況的渠坡變形基本相似。

圖1 梯形和U 形渠道凍脹示意圖

2.2 弧底梯形混凝土襯砌渠道

弧底梯形混凝土襯砌渠道是將渠道底板做成弧形，通常是現(xiàn)澆式，與梯形渠道相比，沒有坡腳處突變的影響，襯砌板對基土凍脹的約束有所改善，凍脹變形大小和方向是連續(xù)變化的，凍脹量分布較均勻，渠底中部的凍脹力和凍脹不均勻系數(shù)較大，但渠底呈反拱，承載力較強，在法向力作用下產生較大的軸向壓力，因而凍脹消融后復位能力比較強，一般無殘留凍脹量，襯砌板不易產生凍脹破壞。

弧底梯形混凝土襯砌渠道的變形特征是在凍脹力作用下，上抬位移比梯形稍大，這樣也就削減了一定的凍脹力，能夠適應凍脹變形。但當邊坡較陡時，坡板向渠內側傾移變形較大，而且當凍脹消失后較難復原，多年積累就會發(fā)生凍脹破壞。

2.3 U 形混凝土襯砌渠道

小U 形混凝土襯砌渠道剛度大，整體性好，對基土的凍脹約束改善，凍脹量分布均勻，弧底反拱作用明顯，能充分利用混凝土良好的抗壓性能，承載能力較強，凍土消融后能恢復原位，不易產生凍脹破壞。大U 形混凝土襯砌渠道雖然也是U 形，但斷面尺寸較大，各部位的坡向不同，日照強度不一，以及土質、水分、風力等條件的差異，加之走向不同，因而各部位的日照及溫度水分狀況不同，凍結狀態(tài)也不同，上部凍深較大，底部凍深較小，陰坡凍深較大，陽坡凍深較小，渠坡底部凍脹量大于上部，凍脹分布不均勻，凍脹方向是渠側向里渠底向上，因渠坡較陡，承受水平凍脹力的能力弱，累積殘余凍脹變形較大，渠底的反拱作用也相對減弱，所以容易產生凍脹破壞。

如圖1 所示，大U 形混凝土襯砌渠道凍脹破壞特征是：（1）渠道上部凍深較大，底部凍深較小，陰坡凍深較大，陽坡凍深較小，凍脹方向渠側向里渠底向上；渠道襯砌變位值較大的部位出現(xiàn)在渠道底部和陰坡，陽坡較小或沒有，渠道發(fā)生整體微小的局部上抬和朝向陽坡的微小位移和偏轉，這與小U 形渠道相似；（2）渠道形體大，與梯形相比整體剛度大，局部剛度較小，與小U 形相比整體剛度較小，兩側凍脹及受力對稱性差，既具有梯形渠道渠頂襯砌板受法向凍結力約束的特點，又具有小U 形渠道渠底凍脹力分布較均勻的特點；（3）沿渠道軸線方向，在陰坡直線段下部凍脹應力較大的地方易發(fā)生凍脹破壞，形成凍脹裂縫。

2.4 弧形坡腳梯形混凝土襯砌渠道

對于寬淺式梯形渠道，將折線坡腳改成弧形坡腳，可以改善襯砌板對基土凍脹的約束，使凍脹較均勻地分布，雖然渠底的凍脹力和凍脹不均勻系數(shù)較大，但其量值比弧底梯形小，一般無殘留凍脹量，襯砌板不易產生凍脹破壞。

3 結束語

總之，我國季節(jié)性凍土區(qū)灌溉渠道工程量大面廣，與灌區(qū)群眾生活和農業(yè)生產及新農村建設息息相關。提高農業(yè)用水的有效利用率，建設安全可靠的輸配水渠系，對于發(fā)展節(jié)水農業(yè)，實現(xiàn)農業(yè)高效用水，進一步挖掘節(jié)水潛力，緩解水資源供需矛盾具有十分重要的現(xiàn)實意義。

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