冬季輸水渠道防凍脹破壞研究

(菏澤市閆潭送水干線管理處，山東 菏澤 274000)

冬季輸水渠道防凍脹破壞研究

王文生

(菏澤市閆潭送水干線管理處，山東 菏澤 274000)

輸水渠道是目前普遍推廣的節(jié)水灌溉措施，其在一定程度上提高了灌溉效率。因此，對冬季輸水渠道的凍脹破壞形式、原因及防治措施進行研究具有重要價值。常見的輸水渠道破壞形式有隆起架空、錯位及滑塌、鼓脹及裂縫等。冬季輸水渠道凍脹破壞基本發(fā)生在邊坡板的中1/3范圍內，凍脹量較大，邊坡板中部易形成臺階。在分析其凍脹破壞機理的基礎上，從次全斷面換填、邊坡保溫絕熱、新型渠道結構三個方面提出防治措施，以為同類工程提供借鑒。

冬季輸水；混凝土渠道；非全斷面凍結；防凍脹破壞

1 概 述

中國是一個水資源短缺的國家，單位耕地面積的水資源占有量僅為世界平均水平的1/2[1]。然而，目前灌溉渠系水利用系數為0.55[2]，控制輸水渠道滲漏是提高農業(yè)用水效率的主要措施。因此，混凝土襯砌輸水渠道逐漸成為普遍推廣的節(jié)水灌溉措施，其在一定程度上促進了農業(yè)增產，提高了灌溉效率。

中國季節(jié)性凍土區(qū)域分布廣泛，占國土面積的53.5%[3]。冬季負溫條件下，灌區(qū)混凝土襯砌渠道受凍害影響，限制了其正常發(fā)揮輸水功效，已成為制約灌溉工程長效運行的關鍵問題[4]，現亟需對冬季輸水渠道混凝土襯砌凍脹破壞形式、原因及防治措施展開研究。

2 凍脹破壞形式

凍脹變形過程為：渠基土中的水因氣溫降低結冰體積膨脹，促使土體體積增大，引發(fā)襯砌結構凍脹變形。當變形量超過允許變形量時，混凝土結構會開裂、折斷，氣溫回升后，土體含水量上升，強度、穩(wěn)定性急劇下降，引發(fā)襯砌體滑塌[5]。

凍脹力作用下，輸水渠道破壞的表現形式主要為隆起架空、錯位及滑塌、鼓脹及裂縫等。渠道凍脹破壞情況示意如圖1所示。

圖1 輸水渠道邊坡凍脹破壞

2.1 隆起架空

負溫條件下，輸水渠道頂部和底端極易產生不均勻變形，渠頂距離地下水遠，凍脹量??；渠基距離地下水近，凍脹量大。不均勻凍脹極易引發(fā)混凝土襯砌板隆起，嚴重時部分渠段發(fā)生架空破壞。經統(tǒng)計，凍脹量不均勻多發(fā)生于坡腳或渠底中部，凍脹破壞嚴重的地區(qū)極易順坡向上形成數個臺階。

2.2 襯砌板錯位

混凝土襯砌板錯位是季節(jié)性凍土區(qū)常見的凍脹破壞形式。負溫條件下，不均勻凍脹引發(fā)的隆起架空現象如發(fā)生于輸水渠道的坡腳支撐處，當氣溫回升到結冰點以上后，渠基土中凍結的冰融化，引發(fā)坡腳以上襯砌板失去支撐，襯砌板相繼向下滑移、錯位。

2.3 鼓脹及裂縫

負溫條件下，混凝土襯砌板與渠基土凍結成整體，共同承受凍脹力，當應力值大于混凝土襯砌板極限應力時，襯砌板體會鼓脹、裂縫?；炷烈r砌板的凍脹裂縫，多出現在現澆混凝土襯砌板順水方向，一般在渠底中部。冬季輸水渠道行水時，襯砌板在水位線附近出現裂縫后，極易發(fā)生折斷。

3 凍脹破壞特點

邊坡襯砌板的中部是冬季輸水渠道凍脹破壞的高概率發(fā)生區(qū)。與冬季不輸水渠道相比，其凍脹部位高、凍脹量大、維修后復發(fā)率高，很難根治[6]。

3.1 凍脹破壞部位高

冬季輸水渠道凍脹破壞范圍比冬季不輸水渠道更廣，涉及的破壞部位更高。通常情況下，冬季輸水渠道凍脹破壞可延伸至邊坡襯砌板的中上部位，這是由于冬季來水量小，渠道引輸流量只有設計流量的20%左右，流量水面線均在邊坡襯砌板的下部位置波動，以水面線為邊界，以上為凍脹破壞區(qū)，以下為非凍脹破壞區(qū)。

3.2 凍脹量大

由于冬季輸水渠道對應渠基土含水量大，凍脹破壞更為劇烈，對襯砌板的影響也更強。較大多數輸水渠道，在冬季輸水條件下，襯砌板極易凍脹破壞形成鼓脹臺階。渠道凍脹破壞部位以下形成冰和渠基土的夾層，氣溫回升后，冰融化促使襯砌板塌陷，形成空洞。

3.3 復發(fā)率高

輸水渠道的凍脹破壞部位極易形成破壞脆弱區(qū)，在一次凍脹破壞后，對負溫的條件更為敏感，凍脹破壞復發(fā)率較高。針對凍脹破壞發(fā)生區(qū)，需建立高頻度的檢修維護政策，在氣溫回升后，人工排查凍脹破壞是否再次發(fā)生。

4 凍脹破壞機理

4.1 凍脹變位不協(xié)調

冬季負溫的條件下，輸水渠道中的水體和外界氣溫具有一定的溫差，導致以水面線為邊界，輸水渠道襯砌板形成氣溫零上和零下兩大區(qū)域。水面線以上的襯砌板，受負溫條件影響，其對應的渠基土發(fā)生固結凍脹，輸水渠道破壞。水面線以下的襯砌板，雖然外界氣溫為零下，但是輸送水體為流動狀態(tài)，對渠道形成溫度保護，渠基土溫度始終保持在零度以上，不會發(fā)生凍脹破壞。

以水面線為分界的上下襯砌板，因凍脹變形不一致，極易形成拉斷或折斷形成裂縫[7]。由于裂縫的產生，大量的水經裂縫滲入土層，不斷向凍結鋒面遷移，生成大量冰夾層和冰凸鏡體，使凍脹量猛增，把襯砌板頂起形成二臺，如圖2所示。

圖2 冬季輸水渠道凍脹與變位

4.2 融沉難復位

凍脹發(fā)生過程中，水面線以上襯砌板發(fā)生凍脹破壞，該區(qū)域襯砌板產生線位移和角位移兩個維度的變形，而水面線以下襯砌板失去接觸作用力，僅在平行于邊坡方向產生線位移[8]。在氣溫回升后，固結渠基土中的冰融化，凍脹破壞部位襯砌板在重力作用下，僅能恢復線位移的變形。

凍脹破壞鼓起襯砌板下的冰夾層和冰凸鏡體因氣溫回升消融后沉降，而其上襯砌板相互支撐難以落下來，留下了相互串通空穴，如圖3所示。如春季不及時停水檢修，輸水流量增大后必定發(fā)生垮渠。

圖3 凍土融沉

5 防治措施

在分析研究冬季輸水渠道邊坡襯砌板凍脹破壞機理的基礎上，依據其凍脹破壞特征制定防治方案。防治的關鍵是要防止冬季輸水渠道產生以零攝氏度為界的溫度分區(qū)，或者采取工程措施避免產生凍脹區(qū)和非凍脹區(qū)的不一致變形。

5.1 次全斷面換填

渠基土的凍脹變形強弱是防治輸水渠道凍脹破壞的關鍵指標。砂礫、碎石等因含水率低、凍脹變形小，常作為季節(jié)性凍土區(qū)輸水渠道的推薦更換土料。在砂礫、碎石等原材料豐富的條件下，輸水渠道施工過程中，可批量更換渠基土，盡量減少黏性土的比例。

采用砂礫、碎石等材料更換渠基土的深度應不小于最大凍土深度的2/3，如圖4所示。渠基土采用非凍脹材料換填后，冬季負溫條件下，渠基不會因凍脹而產生變形，輸水渠道可避免發(fā)生凍脹破壞。

圖4 次全斷面換填

5.2 邊坡保溫絕熱

為避免冬季輸水渠道因輸送水體存在而形成溫度分區(qū)，可在混凝土襯砌板下鋪設保溫絕熱層，如圖5所示。

圖5 邊坡保溫絕熱

保溫絕熱層的存在，可在一定程度上防止以水面線為邊界形成溫度分區(qū)，保證輸水渠道的凍脹變形量一致。在氣溫回升后，輸水渠道的凍脹變形可自行恢復，有效避免了凍脹破壞的發(fā)生。

5.3 新型渠道結構

科學、合理地選定輸水渠道設計斷面和襯砌結構對提高其抵抗凍脹能力具有重要作用。通過總結不同渠道結構型式運行數據，依據多年科學試驗和生產實踐結果，提出適合當地氣象、地質條件的結構型式。

適應不均勻凍脹能力較強的渠道斷面有U形、弧形底梯形、弧形坡腳梯形等。對于不同渠道應采用不同斷面形式，小型輸水渠道宜采用U形斷面，中型輸水渠道宜采用弧形底梯形斷面，大型輸水渠道宜采用弧形坡腳梯形斷面。

6 結 語

中國是一個農業(yè)用水量大國，混凝土襯砌輸水渠道是目前普遍推廣的節(jié)水灌溉措施，其在一定程度上提高了灌溉效率。對冬季輸水渠道混凝土襯砌凍脹破壞形式、原因及防治措施的研究逐漸成為保障其長效運行的關鍵。

凍脹力作用下，輸水渠道破壞的表現形式主要為隆起架空、錯位及滑塌、鼓脹及裂縫等。相對于冬季不輸水渠道，冬季輸水渠道凍脹破壞基本發(fā)生在邊坡板的中1/3范圍內，且通常凍脹量較大，在邊坡板中部極易形成臺階。凍脹破壞修復后，需加強凍脹破壞段的檢修力度，避免渠道反復破壞。

本文在分析冬季輸水渠道凍脹破壞機理的基礎上，從次全斷面換填、邊坡保溫絕熱、新型渠道結構三個方面提出防治措施，避免邊坡襯砌層下正、負溫度區(qū)內土體產生變形差異，杜絕邊坡襯砌板下產生正、負溫度分區(qū)。

[1] 張宇峰. 灌區(qū)冬季輸水渠道防冰和防凍脹措施分析[J]. 企業(yè)技術開發(fā)月刊, 2016, 35(20):147-148.

[2] 薛潔. 渠道防滲現澆混凝土渠防凍脹襯砌厚度計算[J]. 南水北調與水利科技, 2001(4):38-41.

[3] 劉志斌, 劉建軍. 渠道工程中保溫板防凍脹設計[J]. 人民長江, 2012, 43(20):33-35.

[4] 李沛煒, 姚亮, 孫鳳梅. 南水北調中線工程渠道襯砌體凍脹機理與防治措施[J]. 河南水利與南水北調, 2009(11):28-29.

[5] 李甲林. 渠道襯砌凍脹破壞力學模型及防凍脹結構研究[D]. 楊凌：西北農林科技大學, 2009.

[6] 王金山, 張澤玉. 濟平干渠渠道凍脹成因分析及防治措施研究[J]. 水利建設與管理, 2007, 27(10):39-40.

[7] 丁濤. 混凝土襯砌渠道防凍脹技術在節(jié)水改造中的應用[J]. 水利科技與經濟, 2015, 21(3):111-114.

[8] 王丹. 輸水渠道襯砌結構凍害防治及優(yōu)化設計研究[D]. 大連：大連理工大學, 2013.

Studyonfrostexpansionfailurepreventionofwatertransmissionchannelinwinter

WANG Wensheng

(HezeYantanWaterTransmissionTrunkManagementOffice,Heze274000,China)

Water transmission channel is a widely promoted water-saving irrigation measure at present, which improves the irrigation efficiency to a certain extent. Therefore, it is of great value to study the frost expansion failure forms, causes and control measures of water transmission channels in winter. Common water transmission channel destruction forms include uplifting, dislocation, slump, bulge, fracture, etc. In winter, the frost expansion failure basically occurs in the middle 1/3 scope of the slope plate. The frost expansion is larger, and steps can be formed easily in the middle of the slope plate. The frost expansion failure mechanism is analyzed. On the basis, prevention measures are proposed from three aspects of subtotal cross-section filling, slope insulation and novel channel structure.

water transmission in winter; concrete channel; non-total section freezing; frost expansion failure prevention

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.010.021

TV91

B

1005-4774(2017)010-0086-04