瑪納斯河灌區(qū)混凝土渠道凍漲機理及防護要點解析

魏　勇

(新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河流域管理處，新疆 石河子 832000)

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瑪納斯河灌區(qū)混凝土渠道凍漲機理及防護要點解析

魏勇

(新疆維吾爾自治區(qū)瑪納斯河流域管理處，新疆 石河子 832000)

[摘要]在灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)中一個非常關(guān)鍵的指標是提高混凝土渠道水的利用效率。新疆瑪納斯河由于位于嚴寒地帶，在春季和冬季交替的時候會出現(xiàn)嚴重的凍漲破壞現(xiàn)象。將分析瑪納斯河罐區(qū)混凝土渠道凍漲破壞的機理，進而提出針對性的防護措施。

[關(guān)鍵詞]瑪納斯河；罐區(qū)；混凝土渠道；凍漲機理；防護

由于近年來對罐區(qū)進行了大量的改建工作，使得大多數(shù)罐區(qū)的混凝土渠道達到了防滲的目的，渠道水利用效率得到大幅度提升?，敿{斯河罐區(qū)因為存在嚴重的水資源供給和需求矛盾，同時由于受季節(jié)氣溫變化的影響明顯，有非常嚴重的渠道凍漲破壞情況。所以，就要重視罐區(qū)混凝土渠道的凍漲破壞現(xiàn)象，著重提高渠道水資源的利用效率，進而保證農(nóng)業(yè)發(fā)展節(jié)水技術(shù)目標的實現(xiàn)。

1分析混凝土渠道凍漲破壞原理

在罐區(qū)混凝土渠道受到凍漲影響的情況下，這種作用力就會在襯砌板上表現(xiàn)出來，進而導(dǎo)致襯砌板要求出現(xiàn)變形，如果這種變形無法實現(xiàn)，就會形成一定的應(yīng)力，當其比混凝土自身的強度高時，會造成破壞，因而襯砌板的凍漲破壞和作用力的約束強度有直接的關(guān)系。渠道出現(xiàn)變形時，所有結(jié)構(gòu)之間，以及所有結(jié)構(gòu)內(nèi)部之間的不同質(zhì)點都將形成約束，有外約束、內(nèi)約束，其中外約束又包括自由體、全約束以及彈性約束[1]。自由體指的是混凝土渠道發(fā)生自由變形,這種變形沒有受到任何結(jié)構(gòu)的約束影響，應(yīng)力表現(xiàn)為零。全約束指的是結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時，其余結(jié)構(gòu)會對其實施整體約束，也就是應(yīng)力表現(xiàn)出最大，變形是零。彈性約束指的是在自由體和全約束之間的約束狀態(tài)，會形成部分變形，不僅具有變形情況，而且還具有一定的應(yīng)力。

2根據(jù)法向自由體板應(yīng)力，分析混凝土渠道凍漲破壞機理

根據(jù)法向自由體板應(yīng)力分析混凝土渠道凍漲破壞機理，具體的方法就是將一塊混凝土板放置在含水土層上面，當發(fā)生凍漲現(xiàn)象時，放置的混凝土板和土層就會同時發(fā)生凍漲，在這個過程里面，會形成一定的凍漲變形，將其稱作凍漲數(shù)量，定為H，同樣地， 混凝土板也會形成H變形。

混凝土邊坡板是根據(jù)坡腳而進行傾斜安置的，其變行和以上所述的情形形似，具體說就是有渠道底部到渠道頂部的法向變形越來越接近自由變形，只有渠道坡腳位置和周邊的法向變形受到底板和其下凍土的極大約束[2]，所以，在這個位置就會形成一定的法向凍漲力，由于約束渠道邊坡的法向變形在邊坡板周邊的范圍不大，同時和底板存在一定的銜接關(guān)系，就可以將此處的法向凍漲力忽略掉，邊坡板內(nèi)的法向凍漲力是零。

由于邊坡板內(nèi)的法向凍漲力是零，因此，其凍漲力就只能是沿著切向方向進行，并且決定著邊坡板的切向變形[3]。因為混凝土渠道底部土體的含水量比渠道頂部的大出許多，因而相應(yīng)地底部的凍漲量就比頂部的高，將這兩者之間的差值設(shè)置成△H，對于渠道邊坡角來說，邊坡角和坡頂處也存在一定的差值△H，就可以按照這個差值將邊坡板在經(jīng)過一定的凍漲變形之后的長度縮短數(shù)量△L計算出來，如圖1和圖2所示。

圖1　混凝土渠道橫斷面凍漲破壞變形圖

圖2　渠道邊坡板凍漲破壞變位圖

具體的計算式子是

(1)

混凝土渠道邊坡板會在軸向方向上形成一定的壓縮變形△L，表明這種凍漲力一定是在軸向上形成的壓力。因為這種邊坡板是一種剛性較強的板，一般情況下不會發(fā)生變形，也就是混凝土板襯砌渠道在形成凍漲的過程中，形成的切向約束是全約束，變形量是△L約等于零，邊坡板內(nèi)部的應(yīng)力較大。

3分析混凝土渠道的襯砌板受力狀況

如果混凝土渠道出現(xiàn)凍漲現(xiàn)象，其襯砌板和底部的土層就會由于發(fā)生凍結(jié)而連接在一起，當含水層發(fā)生變形，就會把渠道從整體上提高，如圖3所示。

以下將分別分析渠道邊坡板在切向方位的變位和法向變位，就可以進一步分析邊坡板的切向凍漲力和法向凍漲力。

圖3　渠道邊坡板和凍漲含水土層之間的應(yīng)力圖

3.1分析渠道邊坡板的受力

因為邊坡板坡腳和頂部位置的凍漲量存在一定的差值，并且其變形量為零，在其和底部含水土層凍結(jié)在一起時，就可以在頂部凍土層之間接觸的位置形成一定的阻力，這個阻力主要是作用在邊坡板的切向方向，因而將其稱作切向凍漲力。將其設(shè)置成T，將縱方向上渠道邊坡板的應(yīng)力設(shè)為F,則凍漲力F的表達式是：

(2)

式中：L表示的是渠道邊坡板沿斜坡方向的長度。

再把以上計算出來的切向凍漲力F在平行方向上進行移動，充分考慮邊坡板自身的重量，則在其軸方向上的作用力就是壓力N和力矩M，如圖4所示。

圖4　渠道邊坡板的受力分析圖

當邊坡板和含水土層因凍結(jié)連在一起，因為切向凍漲力而使邊坡板出現(xiàn)被擠壓的情況，這種作用力就稱之為拉力。當邊坡板的應(yīng)力達到最大值是，就表示土層可以承受相當?shù)睦4]。邊坡板底部土層的抗拉性能是其土層凍結(jié)的強度t和土層橫斷截面的乘積，則可以表示為：

T=T×H

(3)

式中：T為土層的凍結(jié)強度；H為土層的凍結(jié)深度，T和土層凍結(jié)的溫度有很大關(guān)系，如果溫度是在零下15攝氏度以上，計算出的t是負溫的絕對值。

3.2分析渠道底板的受力情況

因為邊坡板和底板之間是用一定的方式銜接在一起的，底板受到的作用力主要是來自于不同的側(cè)面邊坡板[5]，將其設(shè)置為N，就可以把N分解成在水平方向和垂直方向的作用力x,y，其中底板自身的重量是g，地基的反作用力是q，表達式為：

Nx=N×cosa

Ny=N×sina

(4)

將扣除底板自身重力的約束力設(shè)置成Qn，表達式就是

Qn=2Ny/b

(5)

渠道底板的最大彎曲力矩M可以根據(jù)以下計算式得出：

M=Qn×b2/8

(6)

渠道底板不僅存在壓桿失去平衡的問題，同時還存在受到彎曲破壞的問題，在將邊坡板的內(nèi)部受力計算出來以后，就可以運用以上計算式計算出渠道底板的內(nèi)部受力。

3.3分析消除邊坡板上切向凍漲力的措施

瑪納斯河罐區(qū)混凝土渠道在進行凍漲的過程中，邊坡板和含水土層在切向方向上的約束是全約束，約束反力就是這種凍漲力。如果將兩者之間的約束關(guān)系進行消除，就不會形成約束力了，進而切向方向上的凍漲力也就會解除[6]。因此，就可以把一層可以在負溫不會出現(xiàn)凍結(jié)的滑動隔離層放置在混凝土渠道的邊坡板的底部位置，進而使兩者之間的凍結(jié)現(xiàn)象消除，實現(xiàn)渠道邊坡板上切向凍漲力解除的目的。

4瑪納斯河罐區(qū)混凝土渠道凍漲的防護要點

要做好罐區(qū)混凝土渠道凍漲的防護工作，就需要做好以下幾點：(1)及時維修罐區(qū)渠道，將凍漲部位不合格的墊層進行替換，對于含水土層較高，凍漲現(xiàn)象嚴重的部位，可以適當加厚土層的厚度。同時，還要對破壞的縫隙及時進行修補和完善。另外，對于變形非常嚴重的罐區(qū)渠道，需要對其進行重挖、重新填埋，保證含水土層的密度。(2)建立合理的排水系統(tǒng)。在渠道地下含水層較高的部位，可以在渠道旁邊建立一定的排水系統(tǒng)，以可以更好地將水體的補給來源及時切斷，在具體修建排水溝時，可以修剪成明溝或者是暗溝，要全面結(jié)合不同的地形條件考慮。(3)轉(zhuǎn)變罐區(qū)渠道的運行形式，強化渠道的管理。合理安排農(nóng)作物的灌溉時間，盡量運用原有的罐區(qū)渠道實施農(nóng)作物的灌溉，以便可以降低土層中水分的補給量。另外，還要強化罐區(qū)渠道的調(diào)度管理力度，保證不會出現(xiàn)超灌的情況，使罐區(qū)地下水位在進入寒冬季節(jié)時，可以得到有效控制。

5結(jié)語

新疆瑪納斯河罐區(qū)混凝土渠道的水利用率的提高，是適應(yīng)當前水力工程快速建設(shè)和農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)代化的表現(xiàn)，同時也是實現(xiàn)水力現(xiàn)代化管理的必經(jīng)途徑。由于近年來，對西部地區(qū)的大力建設(shè)和開發(fā)力度逐漸加深，使得一些先進的技術(shù)和設(shè)備在罐區(qū)渠道的運用中更為廣泛，以進一步提升罐區(qū)混凝土渠道的水利用效率， 促進農(nóng)業(yè)化的現(xiàn)代化發(fā)展。所以，就要重視對混凝土渠道凍漲破壞的機理進行分析，以便可以找出瑪納斯河罐區(qū)凍漲現(xiàn)象出現(xiàn)的最根本原因，然后提出針對性的解決方法，消除渠道邊坡板和底板所受的凍漲力，并做好渠道的防護工作。

參考文獻

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[6]?；哿?劉莊引黃灌區(qū)混凝土防滲渠道凍害原因及防護措施[J].建筑·建材·裝飾.2015,(1):64-64,76.

[收稿日期]2015-10-28

[作者簡介]魏勇(1973-)，男，四川綿陽人，主要從事水管工作測配水工作。

[中圖分類號]TV91

[文獻標識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)01-0131-02