季節(jié)凍土區(qū)襯砌渠道典型防凍結(jié)構(gòu)對(duì)比研究

羅麗娜

(阜新縣水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，遼寧 阜新 123100)

農(nóng)業(yè)與農(nóng)田水利工程息息相關(guān)，減少輸水過(guò)程中的水流損失，能夠?qū)崿F(xiàn)擴(kuò)大灌溉面積的目的。河渠邊坡中溫、土、水某一種因素或多種因素的變化會(huì)引起邊坡土體的不均勻凍脹，而凍脹問(wèn)題能夠?qū)е录竟?jié)凍土區(qū)河渠邊坡防護(hù)工程的凍融破壞，從而導(dǎo)致邊坡防護(hù)結(jié)構(gòu)錯(cuò)位、開(kāi)裂等問(wèn)題。從理論上研究土體凍融后襯砌結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律以及相關(guān)因素的影響，提出益于生態(tài)環(huán)境并且經(jīng)濟(jì)合理的渠道襯砌結(jié)構(gòu)，是解決季節(jié)凍土區(qū)河渠邊坡防護(hù)工程的凍融破壞問(wèn)題的關(guān)鍵所在。本文根據(jù)凍土區(qū)襯砌渠道防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，介紹了混凝土鉸接塊、雷諾護(hù)墊與預(yù)制混凝土板結(jié)合保溫板三種襯砌防凍結(jié)構(gòu)與其施工工序，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的凍脹融沉變形，并且對(duì)比分析了三種襯砌防凍結(jié)構(gòu)土體的殘余變形與凍脹恢復(fù)率，為解決季凍區(qū)河渠防護(hù)工程的凍害問(wèn)題，提供技術(shù)方案與理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原則

1.1 混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中采用的混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)是一種連鎖式矩陣結(jié)構(gòu)，通過(guò)鋼絞線把規(guī)格為0.45m×0.44m×0.15m的混凝土塊連接而成?；炷零q接塊襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)邊坡比例1∶3，混凝土鉸接塊下方鋪設(shè)300g/m2的長(zhǎng)絲土工布，固腳位置放置格賓網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為24m，渠坡表面鋪設(shè)混凝土鉸接塊，中間以卵石填充，具體布置如圖1所示。

圖1 混凝土鉸接塊襯砌系統(tǒng)

混凝土鉸接塊襯砌結(jié)構(gòu)具體施工包括六道工序：①按照邊坡比例進(jìn)行坡面務(wù)實(shí)與清理；②固腳與土質(zhì)有關(guān)，砂性土根據(jù)設(shè)計(jì)要求開(kāi)挖至目標(biāo)尺寸，粘性土根據(jù)設(shè)計(jì)要求開(kāi)挖至目標(biāo)尺寸并向渠內(nèi)超挖2%～4%；③鋪設(shè)土工布需要將卷材自坡頂鋪設(shè)至坡底并延伸至固腳底部；④格賓網(wǎng)箱固腳的現(xiàn)場(chǎng)施工通過(guò)展開(kāi)網(wǎng)箱、填充石料、封邊并回填來(lái)完成；⑤鉸接塊施工首先固定坡腳位置，然后自下向上開(kāi)始鋪設(shè)，通過(guò)鍍鋅鋼鉸線連接相鄰混凝土鉸接塊，形成一個(gè)連鎖結(jié)構(gòu)的整體，渠頂位置將1m長(zhǎng)混凝土鉸接塊彎折插入堤體并覆土夯實(shí)；⑥通過(guò)將尺寸恰當(dāng)?shù)纳暗[石料攤鋪在連鎖板結(jié)構(gòu)表面來(lái)填滿混凝土鉸接塊之間的縫隙。

1.2 雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)

雷諾護(hù)墊是透水體，能夠減緩凍脹變形，雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)坡下土體與水體間的自然對(duì)流交換，具有對(duì)地基適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)邊坡比例同樣是1∶3，雷諾護(hù)墊下方鋪設(shè)300g/m2的長(zhǎng)絲土工布，固腳位置同樣放置格賓網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為25m，渠坡表面鋪設(shè)17cm厚雷諾護(hù)墊，中間以卵石填充，具體布置如圖2所示。

圖2 雷諾護(hù)墊襯砌系統(tǒng)

雷諾護(hù)墊襯砌結(jié)構(gòu)具體施工包括五道工序，前4道工序與混凝土鉸接塊襯砌結(jié)構(gòu)相同，第5道工序?yàn)槔字Z護(hù)墊的鋪設(shè)工序，首先進(jìn)行雷諾護(hù)墊的組裝，然后自下向上進(jìn)行鋪設(shè)，過(guò)程中注意保持隔板的方向一致；然后進(jìn)行石料填充，從坡地兩側(cè)向上填充，防止護(hù)墊發(fā)生彎曲變形；最后通過(guò)鋼絲把隔板、邊板與蓋子進(jìn)行捆綁，綁點(diǎn)寬度大于16cm，綁點(diǎn)間隔以12～16cm為宜。

1.3 預(yù)制混凝土板結(jié)合保溫結(jié)構(gòu)

預(yù)制混凝土板結(jié)合保溫結(jié)構(gòu)襯砌設(shè)計(jì)的邊坡比例也是1∶3，岸坡上面鋪設(shè)300g/m2的長(zhǎng)絲土工布與砂墊層，然后攤鋪6cm厚保溫板與預(yù)制混凝土板，固腳位置同樣放置格賓網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為25m，具體布置如圖3所示。

圖3 預(yù)制混凝土板加保溫襯砌系統(tǒng)

預(yù)制混凝土板加保溫結(jié)構(gòu)施工包括六道工序，前四道工序與混凝土鉸接塊襯砌結(jié)構(gòu)相同，不同的工序在于砂墊層施工與保溫板預(yù)制混凝土板的攤鋪。通過(guò)人工與挖掘機(jī)結(jié)合來(lái)進(jìn)行砂墊層施工，挖掘機(jī)將砂料自上而下進(jìn)行攤鋪，人工配合攤鋪平整。保溫板的鋪砌和預(yù)制混凝土板鋪砌通常交叉進(jìn)行，首先進(jìn)行保溫板的鋪砌，鋪砌水平順序?yàn)檠厍垒S線錯(cuò)縫有序，鋪砌垂向順序?yàn)樽韵露希匕邃伷龅揭欢ǚ秶鷷r(shí)，將預(yù)制混凝土板鋪砌其上來(lái)達(dá)到固定保溫板的目的。

2 防護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.1 觀測(cè)布置

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇阜新縣大凌河，選擇背水坡護(hù)堤林中一個(gè)粗壯木墩作為變形基準(zhǔn)點(diǎn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)下游有交通橋，取橋墩上一點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)的校核點(diǎn)。選取試驗(yàn)工程的右岸斷面作為監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布如圖4所示。

圖4 變形測(cè)點(diǎn)布置圖

試驗(yàn)過(guò)程對(duì)凍脹融沉變形進(jìn)行9次數(shù)據(jù)采集，由于渠道底部一直存在積水導(dǎo)致固腳處變形，難以觀測(cè)，未采集測(cè)點(diǎn)6的數(shù)據(jù)，而其余部位的數(shù)據(jù)信息采集完整。

2.2 位移觀測(cè)觀測(cè)結(jié)果與分析

通過(guò)把觀測(cè)天數(shù)作為為橫坐標(biāo)，各襯砌凍脹變形量作為縱坐標(biāo)，不同測(cè)點(diǎn)的各襯砌變形曲線如圖5所示。

根據(jù)圖5中各襯砌變形曲線可知，觀測(cè)前期，各襯砌的渠基出現(xiàn)了沉降變形，下沉量在3.0mm之內(nèi)，原因是凍結(jié)階段初期，由于熱脹冷縮作用導(dǎo)致土體中尚未遷移的水分發(fā)生冷縮，從而出現(xiàn)一定的變形量。三種襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹最大變形皆出現(xiàn)在接近固腳的渠坡位置，最小出現(xiàn)在渠頂位置。以混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)為例，靠近破面的凍脹變形較大，渠頂?shù)膬雒涀冃屋^小，凍脹變形在測(cè)點(diǎn)4出現(xiàn)最大值后然后開(kāi)始縮小，但變形量大于測(cè)點(diǎn)3。土體含水量越多，水分凍脹體積增大越明顯，渠頂土體含水較少，凍脹變形就會(huì)較小，而渠坡土體含水量相對(duì)較多，則襯砌的凍脹變形就相應(yīng)的變大。測(cè)點(diǎn)5雖然含水量大，但是由于襯砌的凍脹變形小于格賓網(wǎng)箱固腳的重量，所以該位置的凍脹變形并不符合上述規(guī)律。

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)域的負(fù)溫積溫與測(cè)點(diǎn)4位置的最大凍脹變形值，繪制出各襯砌凍脹變形與負(fù)溫積溫的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖5 各襯砌變形曲線

圖6 凍脹變形與負(fù)溫積溫關(guān)系曲線

由圖6中知，預(yù)制混凝土板結(jié)合保溫結(jié)構(gòu)凍脹變形隨負(fù)溫的累積變化速度最慢，混凝土鉸接塊襯砌的凍脹變形速度稍快，雷諾護(hù)墊襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹變形最快。這是因?yàn)榛炷零q接塊與雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)熱阻小、相對(duì)透氣度較高，對(duì)外界溫度變化敏感，不能減緩溫度梯度，所以凍脹變形相對(duì)較大。三種襯砌結(jié)構(gòu)最大的凍脹變形量為：預(yù)制混凝土板加保溫結(jié)構(gòu)(5.8cm)<混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)(13.8cm)<雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)(15.7cm)。

土體由于渠道基土中的水凍結(jié)成冰而引起體積凍脹，融化以后體積又會(huì)減小，冷凍融化的過(guò)程能夠改變土體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土體的沉融，增大土壤顆粒之間的距離，解凍以后土壤顆粒之間的距離在上部負(fù)荷與重力作用下開(kāi)始縮小，但是由于融沉變形的作用力要小于凍脹過(guò)程中的凍脹力，使得土壤顆粒之間的距離比凍結(jié)之前大，融沉變形與凍脹變形之間的差值稱作殘余變形，本文各結(jié)構(gòu)的殘余變形大小順序?yàn)椋侯A(yù)制混凝土板加保溫結(jié)構(gòu)(0.65cm)<混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)(1.66cm)<雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)(2.21cm)。

凍脹恢復(fù)率為最大凍脹變形扣除殘余變形后與最大凍脹變形的比值，用來(lái)衡量?jī)鐾羶雒浀幕謴?fù)能力，凍土凍脹恢復(fù)的能力與殘余變形大小密切相關(guān)，而殘余變形與凍脹變形量表現(xiàn)為相似規(guī)律。不同結(jié)構(gòu)具有不同的凍脹恢復(fù)率，試驗(yàn)結(jié)果表明：凍脹恢復(fù)率與其所處位置的凍脹變形密切相關(guān)。某一位置的凍脹量越小，則凍脹恢復(fù)率能夠大于90%，融化后更容易恢復(fù)，反之凍脹恢復(fù)率只有80%～90%。通過(guò)綜合比較發(fā)現(xiàn)，雷諾護(hù)墊的凍脹恢復(fù)率最小，混凝土鉸接塊次之，預(yù)制混凝土板加保溫結(jié)構(gòu)的凍脹恢復(fù)率最高，恢復(fù)能力最好。

3 結(jié)論

根據(jù)凍土區(qū)襯砌渠道防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，本文介紹了混凝土鉸接塊、雷諾護(hù)墊與預(yù)制混凝土板結(jié)合保溫板三種襯砌防凍結(jié)構(gòu)與其施工工序，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)的凍脹融沉變形，并且對(duì)比分析了三種襯砌防凍結(jié)構(gòu)土體的殘余變形與凍脹恢復(fù)率，得出以下主要結(jié)論。

(1)三種襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹最大變形皆出現(xiàn)在接近固腳的渠坡位置，最小出現(xiàn)在渠頂位置。土體含水量越多，水分凍脹體積增大明顯，渠頂土體含水較少，凍脹變形較小，而渠坡土體含水量相對(duì)較多，則襯砌的凍脹變形就相應(yīng)的增大。

(2)預(yù)制混凝土板結(jié)合保溫結(jié)構(gòu)凍脹變形隨負(fù)溫的累積變化速度最慢，混凝土鉸接塊襯砌的凍脹變形速度稍快，雷諾護(hù)墊襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹變形最快，且三種襯砌結(jié)構(gòu)最大的凍脹變形量為：預(yù)制混凝土板加保溫結(jié)構(gòu)<混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)<雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)。

(3)凍土凍脹恢復(fù)率與殘余變形表現(xiàn)規(guī)律相似，雷諾護(hù)墊的凍脹恢復(fù)率最小，混凝土鉸接塊次之，預(yù)制混凝土板加保溫結(jié)構(gòu)的凍脹恢復(fù)率最高，恢復(fù)能力最好。

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