景電工程干渠塊石換填措施抗凍融效果評價

劉月 王正中 李甲林 張茂林 申正香

摘要：為解決景電工程干渠紅砂土基礎(chǔ)在地下水淺埋條件下冬季凍脹量大、暖季融沉滑塌嚴(yán)重的問題，對渠道基礎(chǔ)采用塊石換填的抗凍脹融沉方案。根據(jù)地下水埋深與渠基土凍脹、融沉強度的關(guān)系，得到凍土的本構(gòu)方程，采用COMSOL有限元軟件對換填前和換填后渠道襯砌的位移場和應(yīng)力場進行了對比計算。結(jié)果表明：換填后的渠坡、渠底襯砌板法向位移最大值相對于換填前分別減小了53.8%、78.O%；換填后，渠道襯砌最大法向凍脹力和切向凍結(jié)力相比換填前分別減小了73.2%和82.8%，且整體分布更均勻。在地下水淺埋和土體遇水軟化的水文地質(zhì)條件下，塊石換填渠道具基礎(chǔ)有優(yōu)良的抗凍脹融沉效果。

關(guān)鍵詞：塊石換填；抗凍融效果；數(shù)值模擬；景電工程

中圖分類號：TV91

文獻標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.036

1 景電工程概況

甘肅省景電工程輸水總干渠及干渠總長150多km，是控制整個灌區(qū)的輸水大動脈，在完成灌溉輸水任務(wù)、正常發(fā)揮工程效益方面具有決定性的地位。輸水渠位于季節(jié)性凍土地區(qū)，工程區(qū)土質(zhì)為強凍脹性沙壤土，遇水易崩解軟化，在冬春季節(jié)凍融循環(huán)作用下常常發(fā)生嚴(yán)重的凍脹破壞以及土體融沉滑塌現(xiàn)象。近年來，隨著灌溉面積增加，渠道周邊農(nóng)田土壤含水量增大，渠道周圍的地下水位上升，渠道側(cè)向水補給增多，加劇了渠道的凍脹和融沉破壞（見圖1）。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計，干渠渠道凍脹變形導(dǎo)致的襯砌架空隆起面積達到了總襯砌面積的65%，大面積滑塌面積占總面積的30%，造成了巨大的輸水滲漏損失和水頭損失。

2 景電工程干渠襯砌破壞原因分析及改造措施

為了提高景電工程輸水總干渠輸水能力，最大限度延長灌區(qū)渠道工程使用壽命，需要結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件和土體特性，采取經(jīng)濟合理的抗凍脹變形和融沉滑塌的措施對渠道襯砌進行改造。大量寒區(qū)工程經(jīng)驗與凍土理論研究成果表明，土體凍脹產(chǎn)生的原因是負溫導(dǎo)致土體孔隙水凍結(jié)成冰后析出孔隙，隨后未凍結(jié)區(qū)域水分向凍結(jié)區(qū)域遷移，促使析出冰厚度增加，從而導(dǎo)致土體體積的膨脹，所以土體凍脹與負溫、水分和土體孔隙結(jié)構(gòu)3個因素相關(guān)。景電工程輸水渠道平均地下水位位于渠底以下30cm，個別地段地下水逸出渠底，因此渠基土含水量接近飽和，加之紅砂土較好的滲透性和松散的結(jié)構(gòu)便于水分遷移和冰析出，最終形成了渠道的強凍脹和強融沉特性。封閉的塊石換填層可以將地下水阻隔，減小換填層含水量：依靠換填層較大的自重作用于下層土體，增加了孔隙冰析出的臨界力，從而降低土體凍脹率：在換填層下方土體凍脹或融沉變形時，換填層較大的剛度抵抗了大部分變形量，從而可以減小作用于襯砌上的凍脹力?；诖?，設(shè)計了塊石換填基礎(chǔ)土體和塊石間擠密并填充砂漿以形成封閉襯砌的抗凍脹融沉改造方案（見圖2）。

襯砌改造于2016年1月31日完成，2月1日起正式進行現(xiàn)場監(jiān)測。部分位移監(jiān)測結(jié)果見表1。為對改造后的渠道抗凍脹和融沉效果進行預(yù)測性評價，依據(jù)《凍土工程地質(zhì)勘察規(guī)范》建立了凍土凍融變形本構(gòu)方程，結(jié)合經(jīng)典熱傳導(dǎo)方程，采用COMSOLMutiphsics多物理場耦合軟件對改造前后渠道凍融進行了數(shù)值計算。

3 梯形土渠塊石換基數(shù)值模擬

3.1 熱傳導(dǎo)方程

忽略土體熱對流及輻射作用，則在凍結(jié)過程中，平面內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程為式中：p為土體密度，kg/m3；C為土體比熱容，J/（kg·K）；λx、λy分別為凍土沿x、y方向的熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m.K）；T為溫度，℃；t為時間，s。

3.2 本構(gòu)方程

依據(jù)文獻，將渠基凍脹視為“冷脹熱縮”，由上述熱傳導(dǎo)方程再加上渠道應(yīng)力場方程和邊界條件，即可進行熱力耦合數(shù)值計算。

計算渠道凍脹變形的應(yīng)力場平衡方程為本構(gòu)方程為式中：σ為正應(yīng)力：ε為正應(yīng)變：v為位移矢量：▽為哈密頓算子：σ0為初始應(yīng)力；C為彈性矩陣；εinel為溫度應(yīng)變：T為溫度；Tref為自由應(yīng)變參考溫度；χT為溫度線膨脹系數(shù)；η為凍脹率。

3.3 有限元模型參數(shù)選取

根據(jù)恒溫層厚度，有限元模型渠道從渠頂向下取9m為下邊界，左、右邊界從襯砌板邊緣分別向兩邊延伸5m，混凝土襯砌板、砂漿層厚度及塊石換填厚度見圖2。采用COMSOL有限元軟件對其進行數(shù)值模擬，具體參數(shù)設(shè)置見表2。

3.4 結(jié)果分析

3.4.1 襯砌板法向位移分析

根據(jù)景電工程地區(qū)實際邊界條件，在COMSOL中進行數(shù)值模擬計算，計算步長為7d，共計算了包括凍融循環(huán)的1a內(nèi)的襯砌板法向位移。提取凍結(jié)期（11月至次年2月）和部分融化期（次年3-4月）數(shù)據(jù)，對換填前和換填后的渠道襯砌板法向位移進行對比（見圖3和圖4）。

對比圖3和圖4，可知11月進入凍結(jié)期后，隨著溫度的降低，土體中未凍水在負溫梯度下向凍結(jié)鋒面遷移并凍結(jié)成冰，體積膨脹，使得渠基凍土凍脹量逐漸增大，襯砌板法向位移也逐漸增加（11月至次年2月）；到次年3月，環(huán)境溫度開始回升，渠基凍土隨著溫度的升高而逐漸融化，使得渠基土體凍脹量逐漸減小，襯砌板法向位移也逐漸減?。?-4月）。對比圖4中2-4月和表1中相應(yīng)的融沉位移，可以看出模擬得到的襯砌板融沉位移和現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果比較吻合，從而驗證了該模型的合理性。

對比換填前、后渠道襯砌板法向位移可得，凍結(jié)末期（2月）換填前渠坡、渠底襯砌板法向位移最大值分別為7.8、18.2cm；換填后渠坡、渠底襯砌板法向位移最大值分別為3.6、4.0cm，相對于換填之前分別減小了53.8%和78.0%。計算換填前、后渠道襯砌板法向位移均方差分別為6.45、1.02cm。由此可知，換填后的襯砌板法向位移明顯減小且分布更加均勻，說明采用塊石換基措施后抗凍脹融沉效果顯著。

3.4.2 應(yīng)力場分析

渠基土體凍結(jié)膨脹會對渠道襯砌產(chǎn)生法向凍脹力和切向凍結(jié)力，提取襯砌板法向位移達到最大（2月）時的數(shù)據(jù)進行分析，見圖5。換填前襯砌板坡腳處產(chǎn)生較大峰值法向凍脹力和切向凍結(jié)力，分別為4.97、8.08MPa，采用換填塊石措施后，明顯削弱了坡腳處的應(yīng)力，換填后的最大法向凍脹力和切向凍結(jié)力分別為1.33、1.39MPa，相比換填前減小了73.2%和82.8%。經(jīng)計算，換填前法向凍脹力、切向凍結(jié)力均方差分別為1.07、2.12MPa，換填后分別為0.41、0.66MPa。由此可知，換填后有效削弱了襯砌板坡腳處的峰值應(yīng)力，且整體分布更加均勻。

綜上可知，采用塊石換基措施，既能減小渠道襯砌板法向位移，又能削弱坡腳處的峰值應(yīng)力，使襯砌板法向位移和應(yīng)力分布更為均勻，改善了襯砌板的受力狀態(tài)，其抗凍脹效果顯著。

4 結(jié)語

（1）景電工程干渠渠道基礎(chǔ)經(jīng)過塊石換填后凍脹量大幅度減?。号c此同時，襯砌所受法向凍脹力和切向凍結(jié)力得到了削減且分布更加均勻。在融化期，基礎(chǔ)換填后渠道整體融沉量可以忽略不計。

（2）對于地下水埋藏淺、土體遇水軟化等不良地段的渠道，可以通過塊石擠密換填來封堵地下水和提高基礎(chǔ)剛度，最終可達到防治凍脹和融沉滑塌的目標(biāo)，提高渠道襯砌的運行壽命。

（3）剛度較大的塊石基礎(chǔ)對凍脹和融沉變形的抵抗作用顯著，但是不可避免地增大了塊石體的應(yīng)力，容易發(fā)生塊石基礎(chǔ)的剪切和擠壓破壞，在工程設(shè)計時需要進行強度驗算。