板縫結(jié)構(gòu)對(duì)U形襯砌渠道凍脹響應(yīng)的原位監(jiān)測(cè)

潘鑫　王紅雨　唐少容

摘要：為探索季凍區(qū)防滲襯砌渠道混凝土板縫對(duì)凍脹變形的影響，選取寧夏引黃灌區(qū)青銅峽市沙湖村高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目區(qū)混凝土襯砌渠道作為試驗(yàn)點(diǎn)，在同一條渠道相近渠段上對(duì)傳統(tǒng)多拼式U形混凝土襯砌渠道的板縫結(jié)構(gòu)和經(jīng)過加固處理消除板縫影響的無板縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，并分析處理一個(gè)完整凍融周期內(nèi)兩種結(jié)構(gòu)的凍脹量、法向凍脹力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：在土壤溫度和土壤含水率相近情況下，消除板縫影響的無板縫U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹量均小于傳統(tǒng)多拼式U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的，且前者的法向凍脹力分布更均勻。

關(guān)鍵詞：U形襯砌渠道：板縫結(jié)構(gòu);凍脹力;凍脹量

中圖分類號(hào)：TV698.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019. 04.034

寧夏引黃灌區(qū)晝夜溫差大，環(huán)境干燥，且受季凍區(qū)凍融循環(huán)的影響，導(dǎo)致農(nóng)田輸水渠道凍脹破壞嚴(yán)重，已成為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田基本建設(shè)的瓶頸[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，40%的渠系建筑物和32%的渠道襯砌體受凍融而破壞這[3]。目前，對(duì)灌區(qū)農(nóng)田輸配水渠道原位凍脹變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)相對(duì)較少[4-8].為探索季凍區(qū)防滲襯砌渠道混凝土板縫對(duì)凍脹變形的影響，通過對(duì)比分析凍融期寧夏引黃灌區(qū)青銅峽邵剛鎮(zhèn)沙湖村高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)有板縫結(jié)構(gòu)和無板縫結(jié)構(gòu)的U形襯砌渠道的凍脹量和法向凍脹力，研究板縫結(jié)構(gòu)對(duì)U形混凝土襯砌渠道抗凍脹性的影響，為灌區(qū)U形混凝土襯砌渠道的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和借鑒。

1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

試驗(yàn)區(qū)位于青銅峽市邵剛鎮(zhèn)的河西灌區(qū)，該區(qū)域主要為普通灌淤土，土壤密度為1.5 g/cm，孔隙度為51.25%。試驗(yàn)區(qū)年平均晝夜溫差約為13℃，極端最低氣溫為-23.3℃。試驗(yàn)區(qū)的地表水資源主要來自降水，年降水量分布不均勻，導(dǎo)致每年地表徑流量差別較大，地表徑流平均深度為22.1 mm。該區(qū)域年降水量為180-200 mm，年水面蒸發(fā)量為1 100 -1 600 mm，降水量和蒸發(fā)量相差懸殊導(dǎo)致干旱，春季和冬季尤為突出。綜上所述，試驗(yàn)區(qū)的渠道具有極高的凍脹破壞可能性。試驗(yàn)區(qū)最大凍深為37.8 cm，凍融期間地下水埋深為1.7-2.0 m。經(jīng)過多年觀測(cè)，試驗(yàn)區(qū)在12月上旬開始結(jié)凍，在第二年2月下旬開始解凍，凍結(jié)時(shí)間為80-100 d。

監(jiān)測(cè)所選渠道級(jí)別為斗渠，南北走向，渠底圓弧半徑為0.81 m，渠道縱坡降為111 500 - 1/2 000.渠坡傾角為200.渠道深度為1.20 m，渠道口寬為2.00 m。渠道混凝土襯砌板拼接方式為三拼和四拼交錯(cuò)拼接，見圖1。襯砌板長(zhǎng)1.5 m，寬0.5 m.板縫寬0.1 m。

2 多拼式U形混凝土渠道板縫結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)力案

多拼式U形混凝土襯砌渠道板縫結(jié)構(gòu)和無板縫結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段選自同一南北走向的多拼式U形混凝土襯砌渠道，段長(zhǎng)均為3.5 m。本次試驗(yàn)各觀測(cè)指標(biāo)監(jiān)測(cè)周期為7-10 d/次，共12次。

2.1 試驗(yàn)段板縫結(jié)構(gòu)處理方案

兩試驗(yàn)段分別為多拼式U形混凝土襯砌渠道板縫結(jié)構(gòu)和無板縫結(jié)構(gòu)。由于該渠道板縫因多年凍脹發(fā)生破壞而降低甚至喪失連接功能，因此板縫結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段在該渠道上選取板縫完整的渠段，并直接在該試驗(yàn)段布置試驗(yàn)儀器，而無板縫結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段在選取板縫渠段的基礎(chǔ)上，布置試驗(yàn)儀器前用鋼筋和水泥砂漿連接襯砌板，使襯砌板間的連接更緊密，從而近似看成一個(gè)整體的無板縫結(jié)構(gòu)，其處理方式見圖2、圖3。

在板與板間接縫處的中點(diǎn)兩側(cè)10 mm處各鉆直徑為20 mm、深度為30 mm的圓孔，再將鋼筋插入并用水泥砂漿封堵圓孔，鋼筋直徑10 mm.長(zhǎng)120 mm.兩端彎折角度為900，彎折處長(zhǎng)20-30 mm。待鋼筋布置完成，將水泥砂漿涂抹在鋼筋處并貫通連接，水泥砂漿厚度為15 - 20 mm。此結(jié)構(gòu)固定了鋼筋，使其不因渠道襯砌板的凍脹位移而脫落或破壞，從而增加了襯砌體的整體性，使該連接方式更牢固。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：1 a后雖然襯砌板兩坡圓弧段坡腳處的鋼筋在水泥砂漿下發(fā)生了一定程度的錯(cuò)位和變形，但上層水泥砂漿并未發(fā)生破壞，鋼筋也未暴露，故該處理方法暫時(shí)是牢固、安全的，但是保護(hù)層較薄且強(qiáng)度低，日后可能會(huì)發(fā)生破壞。

2.2 土壤溫度

土壤溫度是影響渠道凍脹破壞的主要因素。為了更科學(xué)地對(duì)比兩試驗(yàn)段的凍脹情況，需要控制兩者的土壤溫度相近，故需兩試驗(yàn)段臨近，以保證其受到太陽輻射的時(shí)間、強(qiáng)度和輻射角度基本一致[9]。本次監(jiān)測(cè)選取的兩試驗(yàn)段相距10 m，滿足土壤溫度相似的條件，土壤溫度采用熱敏電阻和數(shù)字萬用表觀測(cè)，分別在兩試驗(yàn)段北側(cè)一端的渠道橫斷面上布置土壤溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，斷面上儀器布置點(diǎn)位如圖4所示，即在兩坡面距渠頂20 cm處、兩坡面距渠底三分之一渠深處，垂直襯砌板下10、20、30、50、70 cm深度處和渠底處垂直襯砌板下10、20、30、50、70、100 cm深度處分別布置熱敏電阻。各月不同測(cè)點(diǎn)的最大溫差見表1，各月不同測(cè)點(diǎn)的最大溫差平均值為1.03℃，最大溫差為1.77℃，可知兩試驗(yàn)段的土壤溫度相近。

2.3 土壤含水率

土壤含水率是影響渠道凍脹破壞的另一主要因素。為了更科學(xué)地對(duì)比兩試驗(yàn)段的凍脹情況，需要控制兩者的土壤含水率相近，故需兩試驗(yàn)段臨近，以保證受環(huán)境和渠道過水量的影響相似。為此，用TDR時(shí)域反射儀對(duì)相距10 m的兩試驗(yàn)段的東堤、西堤、渠底處土壤含水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)[10]。在試驗(yàn)段縱向1.5 m、距離渠頂0.3 m的東、西渠堤處、渠底處選平坦地塊，對(duì)其削平處理后各埋設(shè)1根水分測(cè)定管，水分測(cè)定管長(zhǎng)1.5m，外露0.2 m。監(jiān)測(cè)時(shí)將TDR探頭垂直放入水分測(cè)定管內(nèi)至測(cè)點(diǎn)下深度分別為0 - 20、20 - 40、40 - 60、60- 80、80～100 cm處，同時(shí)用TDR反射計(jì)測(cè)得土壤含水率。該區(qū)域的最大凍深為37.8 cm.TDR時(shí)域反射儀無法準(zhǔn)確測(cè)量?jī)鐾梁剩蔬x取深度為40 - 60cm（最大凍深以下）的土壤含水率進(jìn)行對(duì)比。該深度的土壤水分向凍結(jié)區(qū)遷移，影響渠基土體的凍脹變形，對(duì)渠道襯砌板產(chǎn)生凍脹作用。

兩試驗(yàn)段在凍融期內(nèi)土壤含水率最大差值為1.80%，土壤含水率相差較小，可知兩試驗(yàn)段土壤含水率相似，見表2。

2.4 凍脹量測(cè)量

凍脹量的測(cè)定方法為定位線法，測(cè)點(diǎn)布置方式見圖5 [12]。在渠道南北兩端的縱向板縫兩側(cè)10 mm處布置2對(duì)固定錨桿，兩坡圓弧段距離渠頂20 cm處各布置1對(duì)錨桿。錨桿長(zhǎng)5m，外露1 m。在縱向1對(duì)錨桿距襯砌體表面10 cm處系上錦綸線，并且保持錦綸線與縱斷面平行。觀測(cè)中測(cè)量錦綸線到襯砌板面的距離變化量，即凍脹量。對(duì)渠道橫斷面共12個(gè)測(cè)點(diǎn)的凍脹量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.5 法向凍脹力測(cè)量

法向凍脹力用土壓力盒測(cè)量[11]。如圖6所示，在試驗(yàn)段南、北兩端各設(shè)置5處測(cè)點(diǎn)，其中在試驗(yàn)段兩坡弧線段坡腳處各設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，兩坡距渠頂20 cm處各設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，渠底處設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)。另外，在試驗(yàn)段中點(diǎn)東、西兩坡弧線段坡腳處各設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)。土壓力盒在襯砌板的背面平行于襯砌板安裝，以土壓力盒受到的凍脹土壓力讀數(shù)表征襯砌板的法向凍脹力。

3 數(shù)據(jù)處理及分析

往年觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，12月和1月渠道混凝土襯砌板變形及其下土體以凍脹變形為主.2月和3月以融沉變形為主。因此，在數(shù)據(jù)處理過程中，凍脹量和法向凍脹力均采用月平均值。這樣不僅反映了監(jiān)測(cè)期內(nèi)各月變形特點(diǎn)，而且還使數(shù)據(jù)更簡(jiǎn)練清晰。

3.1 凍脹量數(shù)據(jù)的處理及分析

試驗(yàn)段橫向有12個(gè)凍脹量測(cè)點(diǎn)，根據(jù)圖1所示，每個(gè)橫向測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)段渠道縱向相同位置有18個(gè)縱向測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)錦綸線到襯砌板面的距離取這18個(gè)測(cè)點(diǎn)距離的平均值。月平均凍脹量計(jì)算公式為

多拼式U形板縫結(jié)構(gòu)混凝土襯砌渠道襯砌板平均凍脹量見表3（正值代表凍脹，負(fù)值代表融沉，下同）。多拼式U形無板縫結(jié)構(gòu)混凝土襯砌渠道襯砌板平均凍脹量見表4。

從表3和表4中看出，板縫結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段的凍脹量均大于無板縫結(jié)構(gòu)的。

最終凍脹位移代表襯砌板在整個(gè)凍融循環(huán)期間總的位移量。從表5中的最終凍脹位移量看，除測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)7、測(cè)點(diǎn)8外，板縫結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段最終位移量大于無板縫結(jié)構(gòu)的。

無板縫結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)6、測(cè)點(diǎn)7、測(cè)點(diǎn)8的最終凍脹位移大于板縫結(jié)構(gòu)的，其原因推斷如下：這3個(gè)測(cè)點(diǎn)位于U形渠道的渠底，在結(jié)構(gòu)中處于承受較大壓力的位置，無縫結(jié)構(gòu)的混凝土板已連接為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，受凍脹力作用會(huì)產(chǎn)生較大的凍脹量：而有縫結(jié)構(gòu)具有非整體性，板間的接縫部分釋放了凍脹力，而以接縫開裂的方式取代一部分凍脹量，因此平均凍脹量較小。盡管如此，無縫結(jié)構(gòu)在U形橫斷面上的凍脹變形比有縫結(jié)構(gòu)的分布更加均勻，能適當(dāng)減少渠道襯砌各部位間凍脹變形的差異，最終起到控制結(jié)構(gòu)凍脹變形的作用。 綜上所述，U形襯砌渠道板縫結(jié)構(gòu)相較無板縫結(jié)構(gòu)更易于產(chǎn)生凍脹破壞。由此可知，板縫是U形混凝土襯砌渠道凍脹情況下的薄弱點(diǎn)，U形混凝土襯砌渠道襯砌體板縫數(shù)量越少，其整體性越好，襯砌板的凍脹量越小，抗凍脹性能越優(yōu)。

由表6和表7可知，66.7%的U形混凝土襯砌渠道無板縫結(jié)構(gòu)的法向凍脹力小于板縫結(jié)構(gòu)的。此現(xiàn)象雖然可以驗(yàn)證無板縫結(jié)構(gòu)抗凍脹性更優(yōu)，但還有33.3%的數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)的結(jié)論不同，因此還需對(duì)法向凍脹力的分布情況進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

從每月法向凍脹力分布來看，比較各月U形混凝土襯砌渠道板縫結(jié)構(gòu)和無板縫結(jié)構(gòu)的法向凍脹力曲線（見圖7至圖10），發(fā)現(xiàn)無板縫結(jié)構(gòu)的曲線比板縫結(jié)構(gòu)的曲線更平穩(wěn)，說明其法向凍脹力分布更加均勻。

至于加固處理后的無板縫結(jié)構(gòu)渠道有33.3%的凍脹力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大于有板縫結(jié)構(gòu)的，可能由以下原因造成：一是土壓力盒為人工填埋，導(dǎo)致埋坑中的土壤孔隙率不同，土壓力盒讀數(shù)會(huì)出現(xiàn)一定偏差：二是由表6和表7可知，此現(xiàn)象多發(fā)在兩坡弧線段坡腳的測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)4，因U形混凝土襯砌渠道在此處發(fā)生較大的凍脹位移[6]，而多拼式U形混凝土襯砌渠道試驗(yàn)段在板與板的接縫處強(qiáng)度較低，容易產(chǎn)生較多裂縫甚至開裂，裂縫處變形較大，土對(duì)板的約束減弱，故有板縫的多拼襯砌板土壓力盒讀數(shù)會(huì)小一些。當(dāng)然，對(duì)這一現(xiàn)象的解釋還應(yīng)進(jìn)一步通過試驗(yàn)研究證實(shí)。

綜上所述.U形混凝土襯砌渠道無板縫結(jié)構(gòu)襯砌體的凍脹力大小和凍脹力分布更優(yōu)，其抗凍脹的性能更好。

4 結(jié)論

針對(duì)寧夏引黃灌區(qū)輸配水U形防滲渠道多為混凝土板拼裝接縫而成、板縫附近襯砌板凍脹破壞較嚴(yán)重的現(xiàn)狀，通過設(shè)置有板縫的傳統(tǒng)多拼混凝土襯砌結(jié)構(gòu)和采取工程措施消除板縫后的無板縫混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的原型監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，定量化研究了板縫對(duì)U形渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)抗凍脹性能的影響，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和分析。

（1）同一U形混凝土襯砌渠道相近渠段的土壤溫度和土壤含水量相近，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)中獲取的兩種混凝土砌護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)具有一定的可比性。

（2）多拼式U形混凝土襯砌渠道板縫結(jié)構(gòu)的凍脹量均大于無板縫結(jié)構(gòu)的，且在12個(gè)測(cè)點(diǎn)中9個(gè)無板縫結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)最終位移量小于板縫結(jié)構(gòu)的。

（3）多拼式U形混凝土襯砌渠道板縫結(jié)構(gòu)66. 7%的法向凍脹力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大于無板縫結(jié)構(gòu)的，且無板縫結(jié)構(gòu)法向凍脹力的分布更均勻。

（4）多拼式U形混凝土襯砌渠道無板縫結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)多拼式U形混凝土襯砌渠道的板縫結(jié)構(gòu)，其抗凍脹性能更優(yōu)。板縫是U形混凝土襯砌渠道的薄弱環(huán)節(jié)，是影響渠道抗凍脹性能的關(guān)鍵因素，且其會(huì)影響襯砌體的整體性。建議在渠道襯砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在保證渠道施工方便的前提下，盡量減少混凝土襯砌板縫，且保證預(yù)留板縫的施工質(zhì)量。為此，課題組正在研究有關(guān)板縫的榫接構(gòu)造與施工工藝。

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