冬季輸水梯形渠道凍脹時水力因素對剛性襯砌層內(nèi)力影響研究

宋玲　陳瑞考　馬銘悅　魏鵬

摘要：對于冬季輸水渠道，在其基土凍脹作用時邊坡混凝土板力學模型得到實踐工程檢驗的基礎(chǔ)之上，又以實際工程渠道為參數(shù)，理論分析了在特定凍脹力作用類型及計算方法的條件下，其渠道坡角、水深和邊坡混凝土板厚度的變化對邊坡混凝土板內(nèi)力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：冬季輸水渠道邊坡板在冬季渠基土凍脹的過程中有沿坡面整體上移的趨勢；在渠基土邊坡整體穩(wěn)定的前提條件下，增大渠道坡角、減小渠底寬、提高渠內(nèi)水位可大大減少渠道凍脹作用時邊坡板的內(nèi)力，降低渠道凍脹破壞的機率；通過增加邊坡板的厚度來提高渠道抗凍脹破壞能力是不可取的。該成果為季節(jié)凍土區(qū)冬季無冰蓋輸水渠道的抗凍脹破壞設(shè)計指出了設(shè)計新思路。根據(jù)設(shè)計流量，設(shè)計并調(diào)整渠道水力參數(shù)，盡可能使渠內(nèi)水深提高，不僅降低渠道凍脹破壞的機率，還可以減少渠道用地面積和土方工程量。

關(guān)鍵詞：渠道；凍脹破壞；襯砌層；冬季輸水；內(nèi)力

中圖分類號：TV31文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2018）02015806

Abstract：

We tested in practical engineering the mechanical model of slope concrete slabs of winter water conveyance canals during the frost heaving of the bedsoil.Then we theoretically analyzed the influence of slope angle，water depth，and lining thickness on the inner forces of the rigid lining of the canal under the condition of a specific type of frost heaving force and calculation method.Results showed that the slope slab of the canal had a tendency to move upward along the slope during frost heaving of the bedsoil in winter.On the premise of overall stability of the slope，the inner forces and probability of canal damage due to frost heaving could both be greatly reduced by increasing slope angle，reducing canal bottom width，and rising water level.It is inadvisable to increase the slope slab thickness as a way to increase the frost heaving resistance capacity of the canal.The research findings can provide a new method for the antifrost heaving design of water conveyance canals without ice cover in winter in seasonally frozen region.To design and adjust the hydraulic parameters of the canal so as to increase the water depth within the canal can reduce the probability of frost heaving damage to the canal，and can reduce the canal land area and earthwork volume.

Key words：

canal；frost heaving damage；lining；water conveyance in winter；inner force

渠道的基土不像冬季停水渠道在整個橫斷面上全部凍脹，而是僅在渠內(nèi)水位面以上邊坡部位凍脹。加之冬季停水渠道研究成果確實也在冬季停水渠道上得到了檢驗和驗證，所以人們一直認為：冬季輸水渠道基土的凍脹不如全斷面凍脹那么嚴重，渠道破壞程度也就比冬季停水渠道的輕。然而，實踐證明，采用了防凍脹措施的渠道，在冬季輸水的情況下，仍出現(xiàn)了凍脹破壞現(xiàn)象，如圖1所示。圖1中（a）至（d）為新疆瑪納斯河一級電站引水渠，該渠道于2006年建成，經(jīng)過十年的運行，破壞雖不像無防凍脹措施的、運行時間較長的二級站圖1（e）和四級站圖1（f）引水渠出現(xiàn)縱向長裂縫且隆起破壞的那么嚴重，但仍有縱向長裂縫或局部翹起、裂縫等破壞現(xiàn)象。

據(jù)調(diào)查和研究成果來看，冬季停水渠道的凍脹破壞問題，目前已經(jīng)得到了較好的解決。但對冬季輸水渠道凍脹問題，專門研究的較少[2125]。本文以相同土質(zhì)條件、相同凍脹力強度和分布，采用相同襯砌層受力模型為前提，分析渠道橫斷面水力因素對襯砌層內(nèi)力的影響，為相同條件下冬季輸水渠道的設(shè)計及運行管理提供理論指導。

1計算模型及參數(shù)

本文以新疆瑪納斯河四級電站引水渠為參照模型。四級電站引水渠全長4153 km，渠道縱坡1/1400，邊坡1∶15，底寬3 m，渠深45 m。原設(shè)計襯砌材料為混凝土和漿砌卵石，經(jīng)多年運行，邊坡和底板破損嚴重，滲漏嚴重，在渠道滲漏水的作用下，部分沙土進入渠基表層，使其具有凍脹性，凍脹破壞嚴重，已經(jīng)不能滿足渠道的正常運行[26]。

該引水渠冬季輸水，水面以下渠基土不發(fā)生凍脹，或僅有一小部分凍脹，襯砌層受力狀態(tài)或力學模型與冬季停水渠道的完全不一樣。冬季停水渠道不管是底板還是襯砌板均受凍脹力作用。而冬季輸水渠道僅邊坡板上作用有凍脹力。換言之，對于冬季輸水渠道而言，渠道凍脹破壞就意味著渠邊坡板的凍脹破壞。本文不考慮邊坡板的縱向分縫，將邊坡板視為底端固定鉸支座、水位面處為活動鉸支座的外伸梁，梁外伸部位作用凍脹力。邊坡板的切向凍脹力作用形式（三角形分布）和強度值均相同，而法向凍脹力也是三角形分布，且按受力平衡得到的法向凍脹力強度值。該構(gòu)件除了重力外，而邊坡板水下部位作用有水壓力、和未凍土體對其的摩阻力。

本文分析在上述力學模型的基礎(chǔ)上研究渠內(nèi)水深、坡角、邊坡混凝土板厚度對邊坡板內(nèi)力影響規(guī)律。水深取8水平，依次取為05 m，10 m，15 m，20 m，25 m，30 m，35 m，40 m；坡角取15°，30°，45°，60°，75°，共5水平；而邊坡混凝土板厚度取5水平，分別為01 m，02 m，03m，04m，05 m。

2結(jié)果分析

2.1模型驗證

四級電站引水渠冬季正常水深為35 m，多年平均凍結(jié)深度15 m ，板厚為015 m，假設(shè)板與土的摩擦系數(shù)為01，則冬季渠道邊坡板的軸力、彎矩、剪力計算結(jié)果見圖2，圖中相對距離為截面至邊坡板頂端的距離與邊坡板斜長之比，下文相關(guān)圖中的橫坐標軸名均與此相同。

由圖2（a）可知，邊坡板軸力值隨著距坡頂距離增大而先增大后減小，即水面以上邊坡板重力在坡面切向分力小于切向凍脹力，而水面以下部位無凍脹力，故軸力值也是降低的。邊坡板在水面附近，橫截面的拉應力最大，有拉斷趨勢。整個坡面的軸力均為正值，即邊坡板受拉。值得注意的是：在凍脹力發(fā)展過程中，邊坡板底端的軸力值由渠基土未凍結(jié)前的負值（邊坡板與底板間相互擠壓）逐漸增大，甚至為正值。而其值根本上取決于凍脹力、板重和板土間摩阻力。由于渠底板與邊坡板之間只能承受相互間的壓力和摩阻力，無法承受拉力。所以，冬季輸水渠道邊坡板在渠基土凍脹過程中有沿坡面的上移與底板分離的破壞趨勢。

由邊坡板彎矩圖2（b）可知，邊坡板上有負彎矩，即在水面下某處為零，該位置以上截面彎矩為負，即邊坡板的上表面受拉，下表面受壓，朝渠內(nèi)撓曲變形。而該位置以下彎矩為正，即邊坡板的上表面受壓，下表面受拉，朝渠基土方向撓曲變形。因而，邊坡板在水面、距渠底約1/3斜長兩個部位較易發(fā)生破壞。

由邊坡板正截面的剪力，圖2（c）可知，在水面附近出現(xiàn)剪力突變，在此處最易出現(xiàn)剪斷或發(fā)生相對的錯動。

綜上所述，邊坡板易在水面附近最先發(fā)生破壞，與前述圖片中展示的破壞位置大體一致。從某種程度上來說，本文所選用的襯砌板受力模型能夠反應冬季輸水情況下襯砌層受力情況。

2.2坡角對邊坡混凝土板內(nèi)力的影響規(guī)律

冬季水深35 m、板厚01 m、板土間的摩阻系數(shù)03情況下，坡角15°～75°的邊坡板內(nèi)力隨橫截面位置變化見圖3。從圖3中可以看出，坡角增大，邊坡板橫截面的最大軸力值是減小的，最大負彎矩值也是減小的，并且板逐漸出現(xiàn)正、負彎矩共存的狀態(tài)。同樣邊坡板剪力值隨著坡角的增大也有相應關(guān)系。從這一變化規(guī)律來說，在渠邊坡[HJ2.1mm]基土整體穩(wěn)定的前提條件下，增大坡角可以降低渠基土的凍脹破壞作用。值得注意的是，當凍土層厚度相對水面以上邊坡板部位的長度較小時，切向凍脹力值僅與凍深有關(guān)，而板厚及[CM（22]板土間的摩阻系數(shù)取值均相同，故圖3（a）中有坡角15°和30°對應邊坡板的軸力隨橫截面相對位置關(guān)系曲線相重合。由于邊坡板下表面受到切向凍脹力強

度相同，當坡角小時，相同水位下水壓力對邊坡板橫截面產(chǎn)生的正彎矩值要遠遠大于坡角較大的，故有圖3（b）所示坡角15°的負彎矩絕對值遠遠大于其它坡角的負彎矩絕對值，剪力值亦如此。

2.3水深對邊坡混凝土板內(nèi)力的影響規(guī)律

坡角30°、邊坡板厚01 m、板土間的摩阻系數(shù)03情況下，冬季水深05～40 m，邊坡板各橫截面內(nèi)力隨其位置變化關(guān)系見圖4。從圖4中可以看出，水深增大，最大軸力值總體上是增大的，但是水深40 m對應的最大值不符合增大的規(guī)律，這是因為凍結(jié)深度大于沿邊坡方向的凍結(jié)長度，其它水深情況下總的切向凍脹力計算方法不再適用，進行了修正。最大正彎矩值是隨著水深的增大而減小，[JP+1]出現(xiàn)負彎矩區(qū)的可能性也越來越大。最大剪力值隨著水深的加大也有相應地減小。同時也可看出，渠內(nèi)水位的變化對彎矩的影響較軸力的要大得多。從這一變化規(guī)律來說，盡可能增大冬季運行水深以減小渠基土的凍脹破壞作用。所以冬季輸水渠道設(shè)計時，可設(shè)計小底寬的渠道，以保證在相同來水量情況下獲得較大水深，從而有利于減少凍脹破壞作用。

2.4砌板厚對邊坡混凝土板內(nèi)力的影響規(guī)律

冬季渠水深05 m、坡角15°、摩阻系數(shù)03情況下厚度為01～05 m的邊坡板內(nèi)力隨橫截面位置的關(guān)系見圖5，從圖5中可以看出，板厚增大，最大軸力值是減小的，甚至可能出現(xiàn)壓力。板厚增加，彎矩值增大，但是最大值所[HJ2.2mm]在位置不變，僅與水深有關(guān)。而所受剪力最大值也隨著板厚的增加而增大，發(fā)生突變的位置也不變，僅與水位有關(guān)。從這一變化規(guī)律來說，同一材料，增大板截面厚度，板的抗凍脹能力雖有所提升，但遠不如最大彎矩值增長快。

3結(jié)論與建議

（1）從某種程度上說，所選用的力學模型能夠較好地反映實際工程渠基土凍脹時邊坡板的受力情況，理論分析的最危險位置也大體與工程的破壞位置一致。該力學模型可以指導季節(jié)凍土區(qū)的冬季輸水渠道的抗凍脹設(shè)計。

（2）渠基土凍脹作用時，相同的相對截面位置處的邊坡板內(nèi)力隨著坡角的增大而減小，因此可以在渠基邊坡穩(wěn)定的前提條件下增大坡角來削弱凍脹破壞效果。

（3）其它條件相同時，渠水深越大，邊坡板的內(nèi)力越小。因而，綜合考慮水力條件和施工要求，位于季節(jié)凍土區(qū)的冬季輸水渠道渠底應盡量減小。

（4） 增加板厚，其它條件相同，邊坡板的內(nèi)力值也大大提高，因此，以增加板厚的方式來提高抗凍脹能力，既不經(jīng)濟，也達不到預期效果。因而可從提高材料的性能來提高抗凍脹能力。

（5）在凍脹過程中，冬季輸水渠道的邊坡板有整體上移的趨勢，且在水面附近最易發(fā)生拉裂破壞。

本文僅從抗凍脹的角度分析幾個單因素對冬季輸水渠道邊坡混凝土襯砌板的內(nèi)力影響，雖取得了一定的成果，可能與實際應用尚有一定的差別。此外，還需要進一步結(jié)合水力學知識，研究適用于具有抗凍脹能力性能的冬季輸水渠道較經(jīng)濟斷面。

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