季節(jié)性凍土區(qū)渠道防凍脹設(shè)計(jì)及效果模擬

李 斌

（阜康市九運(yùn)街鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)（畜牧業(yè)）發(fā)展服務(wù)中心，新疆 阜康 831501）

1 工程概況

某灌區(qū)為季節(jié)性凍土區(qū)域，全年平均氣溫為6.7℃，晝夜溫差較大，最低溫度為-37℃，最大凍土深度1.5m。梯型渠道襯砌混凝土在低溫下受到反復(fù)凍脹力的作用，破壞情況較嚴(yán)重。以往對渠道修復(fù)過程中，往往只重視凍土清理、坡道修整、勾縫質(zhì)量等工作。但修復(fù)后的渠道在運(yùn)行3年后，再次發(fā)生凍脹破壞。本文在總結(jié)以往經(jīng)驗(yàn)和借鑒類似地區(qū)成功做法基礎(chǔ)上，采用套砌方法改造渠底及坡腳的加固方案，渠道頻繁凍脹問題得到有效控制。

2 渠道加固改造措施

本渠基土凍脹級別為Ⅰ～Ⅲ級，考慮受冬季灌溉水、渠系排水條件較差、側(cè)向補(bǔ)給水等問題，需要采取有效的防凍措施。基于渠道基土不透水、水位升高等實(shí)際情況，對灌區(qū)渠道進(jìn)行改造：削減基土凍土，采用砌石改善襯砌結(jié)構(gòu)，并將原渠道敏感性凍土換成非敏感凍脹土。對于不同地下水出露情況，塊石套砌方案分別為：

2.1 地下水未出露渠段

渠段中地下水埋深未在渠底出露，且水位埋深較淺，渠段基礎(chǔ)有良好排水條件，不會造成地下水的滯留。這種類型渠段的改造處理措施在于對關(guān)鍵部位進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，尤其是凍脹變形情況嚴(yán)重的位置，采用加強(qiáng)襯砌結(jié)構(gòu)的方式強(qiáng)化自身抵抗凍脹變形的能力。渠底基礎(chǔ)用漿砌石進(jìn)行套砌，厚度控制在50cm，距離渠底150cm位置以下邊坡同樣采用漿砌石進(jìn)行套砌，邊坡套砌石厚度控制在30cm。同時(shí)在渠底與邊坡交接處下方各留暗溝，暗溝寬度50cm，高度40cm，其目的在于提高整個(gè)襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.2 地下水出露段

渠段中地下水埋深在渠底有出露，且水位埋深較淺，渠段基礎(chǔ)排水條件欠佳，渠道兩側(cè)滲流水補(bǔ)給條件好。這種類型渠段的改造處理措施在于拆除部分渠道，并采用塊石套砌護(hù)砌的方案，拆除內(nèi)容包括渠道底部、坡腳1.5m的強(qiáng)凍脹區(qū)渠道。渠底采用漿砌石進(jìn)行填筑，但在渠底內(nèi)砌干砌石進(jìn)行套砌，渠底干塊砌石單元為正方形，邊長100cm，每個(gè)干塊砌石單元間隔距離20cm。坡腳上方1.5m同樣進(jìn)行塊砌石套砌，渠底上方50cm記性漿砌石施工，渠底上方高度在50～150cm的坡段位置進(jìn)行干塊石襯砌。

3 數(shù)值模型建立

為進(jìn)一步掌握渠道換填之后的抗凍脹和融沉效果，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件COMSOL對換填前后渠道運(yùn)行狀況進(jìn)行對比，并對改造方案進(jìn)行預(yù)測性評價(jià)。建立梯型渠道模型過程中，下邊界選擇渠頂向下9m邊界，左右邊界選取襯砌板兩側(cè)左右各延伸5m距離，模型材料參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 梯型渠道模型參數(shù)

4 模擬效果分析

4.1 法向位移變化

襯砌板法向位移模擬中，設(shè)置計(jì)算步長7d，計(jì)算周期1a。模擬得到渠道換填前后渠道襯砌板法向位移情況如圖1。

圖1 渠道換填前后襯砌板法向位移

分析得到，從11月份開始到次年的2月份，渠道基礎(chǔ)土水份在低溫環(huán)境下開始凍結(jié)，土體凍脹量和襯砌板法向位移量逐漸增加，約在2月底，法向位移量達(dá)到最大值；到次年3月、4月，法向位移量開始逐漸減少，這與實(shí)際情況非常吻合。渠道換填前后均在2月底達(dá)到最大法向位移，換填之前渠坡最大法向位移量7.8cm，而換填后僅3.6cm，減少幅度達(dá)54%；換填前的渠底襯砌板最大法向位移量18.2cm，換填后4.0cm，減少幅度達(dá)78%。同時(shí)換填后的位移量數(shù)值更小，且位移分布更均勻，不存在位移量驟然增加情況。

4.2 應(yīng)力場變化

對渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)影響最大的作用力為法向凍脹力，而切向凍結(jié)力影響著整個(gè)襯砌板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，可能造成坡腳等部位應(yīng)力集中。分析換填前后渠道發(fā)生最大法向位移量時(shí)（2月份）的法向凍脹力和切向凍結(jié)力變化情況，如圖2。

圖2 渠道換填前后襯砌板法向位移

由圖2可知，最大應(yīng)力發(fā)生在坡腳位置，換填之前最大法向凍脹力和切向凍結(jié)力分別為4.98，8.09MPa；采用塊石套砌之后的應(yīng)力情況得到明顯改觀，未出現(xiàn)大幅度應(yīng)力波動情況，渠道襯砌結(jié)構(gòu)整體受力比較均勻。坡腳最大法向凍脹力和切向凍結(jié)力分別為1.34，1.40MPa，相較于換填施工之前，法向凍脹力和切向凍結(jié)力削減幅度分別可達(dá)73%，83%，應(yīng)力值均在襯砌結(jié)構(gòu)承載強(qiáng)度之內(nèi)，不會對襯砌結(jié)構(gòu)安全造成威脅。

分析可知，采用干砌石套砌方案后的渠道凍脹位移量得到有效控制，襯砌板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布較為合理，不均勻系數(shù)有明顯改觀，最大應(yīng)力得到大幅度削減，方案抗凍脹效果明顯。

5 結(jié)語

（1）在地下水水位埋深較淺、土體遇水軟化等不良渠段中，可以采用漿砌石做骨架內(nèi)砌矸石的方法，封堵地下水，增加渠道基礎(chǔ)剛度，并能夠提高渠道襯砌結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性。

（2）相較于換填前，渠坡和渠底襯砌板法向位移分別減少54%，78%，法向凍脹力和切向凍結(jié)力減少近73%，83%，換填后渠道基礎(chǔ)應(yīng)力分布更加均勻，防凍脹效果明顯。對于融化期渠道沉降情況，由于其數(shù)值較小，因此可忽略不計(jì)，對于渠道整體融沉量影響不大。

（3）在渠道襯砌工程中，選用剛度較大的塊石有助于增強(qiáng)基礎(chǔ)的抗凍脹和融沉能力，但也加大了塊石體的應(yīng)力，各塊石間會發(fā)生剪切或擠壓破壞，需要在工程選料過程中對所選塊石強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。