季節(jié)性凍土區(qū)渠道襯砌防凍脹措施試驗(yàn)研究

趙 真，呂正勛，何芳嬋

(1.靈寶市窄口庫區(qū)管理局，河南 三門峽 472500； 2.河南省水利工程安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003； 3.河南省水利科學(xué)研究院，鄭州 450003)

1 概 述

根據(jù)凍土土體處于凍結(jié)狀態(tài)持續(xù)時間的不同，一般可分為短時凍土、季節(jié)性凍土以及多年凍土[1-3]。在我國，季節(jié)性凍土分布范圍廣，約占國土面積的53.5%，主要分布在北緯30°以北地區(qū)，且大多數(shù)屬于干旱半干旱水資源短缺地區(qū)。季節(jié)性凍土區(qū)的灌區(qū)輸水渠道襯砌易受基土凍融循環(huán)作用產(chǎn)生破壞，影響防滲效果，造成大量水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

2 渠道襯砌防凍脹措施研究現(xiàn)狀

在渠道防凍脹措施研究方面，目前主要集中在選擇合理襯砌結(jié)構(gòu)、材料、斷面形式，同時應(yīng)用換填、隔熱、保溫等削減或適應(yīng)凍脹的措施[4-9]。如楊洪文[10]通過試驗(yàn)指出置換措施受田間回歸水影響，置換層易被細(xì)顆粒淤塞而縮短工程壽命，且造價較高。張欣[11]等通過試驗(yàn)證明，苯板可提高渠基土溫度，減小凍脹量，并建議鋪設(shè)苯板厚度不低于6 cm，陽坡部位鋪設(shè)厚度可適當(dāng)減小。袁安麗[12]通過試驗(yàn)證明格賓網(wǎng)墊通過自身的形變可有效適應(yīng)渠道邊坡土體凍脹融沉所產(chǎn)生的變形，降低渠道邊坡土體的凍前含水量，減小基土凍脹量，增加熱阻。申蓮[13]通過試驗(yàn)得出在非凍脹性土缺乏的地區(qū)與置換法相比，保溫板方案在施工方法、適應(yīng)范圍、經(jīng)濟(jì)上具有明顯的優(yōu)越性。

如何找到一種既經(jīng)濟(jì)適用又能有效解決河南地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)的渠道襯砌凍脹問題，是本文研究的重點(diǎn)，筆者選擇本省受凍脹影響較大的廣利灌區(qū)進(jìn)行多種形式的防凍脹措施試驗(yàn)研究，最終推薦一種既經(jīng)濟(jì)又有明顯效果的防凍脹措施。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

廣利灌區(qū)位于河南省西北部，屬季節(jié)性凍土區(qū)，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.2℃～14.8℃，絕對最低氣溫-16.4℃。近年來，隨著國家加大對灌區(qū)節(jié)水改造配套工程的投入力度，渠道進(jìn)行混凝土襯砌改造發(fā)展得很快，數(shù)量越來越多，但渠道襯砌凍脹破壞問題時有發(fā)生，特別是在渠道陰面和地下水位過高的渠段，造成水資源的浪費(fèi)和工程管理成本的增加。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響渠基土凍脹的主要因素為渠基土土質(zhì)、水分條件、溫度條件以及受力條件等，結(jié)合灌區(qū)情況，設(shè)計(jì)3種渠道襯砌結(jié)構(gòu)形式的現(xiàn)場試驗(yàn)。通過溫度傳感器和含水量傳感器監(jiān)測渠道陰面水位以下和水位波動帶，距離襯砌表面不同深度的地溫、土壤含水率和地下水位。試驗(yàn)段渠道深3 m，正常輸水位水深1 m。因此監(jiān)測設(shè)備分別布在距渠底深50和100 cm，距坡面垂直深度20和50 cm處。具體的襯砌結(jié)構(gòu)形式和監(jiān)測儀器編號見表1。

表1 試驗(yàn)段渠道襯砌結(jié)構(gòu)型式

3.2 觀測數(shù)據(jù)與分析

試驗(yàn)觀測周期為一個凍融周期，分別獲取3種試驗(yàn)類型的氣溫、地溫、土壤含水量、地下水位等數(shù)據(jù)。具體時間為當(dāng)年12月7日至次年3月6日共計(jì)90天，其中負(fù)溫天數(shù)69天，最低氣溫-9.0℃(發(fā)生時間是1月2日)，最高氣溫24.0℃(發(fā)生時間是3月6日)，高低溫之差33℃。

3.2.1 地溫監(jiān)測結(jié)果分析

表2為觀測期內(nèi)地溫的特征值。從表2可以看出，Q1，Q2，Q3方案的最高溫度平均值分別是10.98℃，9.18℃，10.63℃，即Q1>Q3>Q2；Q1，Q2，Q3方案最低溫度的平均值分別是-2.8℃，-0.83℃，-1.33℃，即Q2>Q3>Q1；Q1，Q2，Q3方案最高最低溫度之差的平均值分別是13.78℃，10.00℃，11.95℃，即Q1>Q3>Q2。綜合以上結(jié)果，保溫效果最好的是Q2方案，其次是Q3方案，然后是Q1方案。表2數(shù)據(jù)縱向比較觀測點(diǎn)1、2、3、4，水位變化區(qū)觀測點(diǎn)的最低溫度與水下觀測點(diǎn)的最低溫度相差0.5℃。從最低氣溫和最低地度的發(fā)生時間上分析，地溫最小值的發(fā)生時間滯后于氣溫最小值的發(fā)生時間約40天左右。觀測期地溫是先降低后升高的趨勢，地溫與氣溫的變化規(guī)律一致。但氣溫最大最小值之差33℃，地溫是10℃到13.78℃，小了將近20℃，地溫的變化相對平緩很多。

3.2.2 含水量監(jiān)測結(jié)果分析

表3為觀測期內(nèi)監(jiān)測點(diǎn)的含水量情況。從表3可以看出，3種試驗(yàn)類型的起始含水量大部分已經(jīng)達(dá)到15%，超過該種土壤的起始凍脹含水量，是造成凍脹加劇的首要原因。當(dāng)灌區(qū)輸水結(jié)束后，基土含水量基本已處于完全飽和狀態(tài)，再加之此時該地區(qū)的日最低氣溫已經(jīng)降至0℃以下，基土的表層已開始凍結(jié)。隨著溫度的下降，在凍土層內(nèi)形成一個凍結(jié)鋒面，隨著溫度持續(xù)下降，會有源源不斷的水向凍結(jié)鋒面不斷遷移，使凍結(jié)層內(nèi)水份大量聚集，造成基土的含水量持續(xù)增大，在負(fù)溫下使得基土膨脹，從而造成凍脹更加嚴(yán)重。在融化期，隨著地溫的逐漸升高，基土也慢慢開始融化，凍土融化后基土的含水量也逐漸降低，凍脹慢慢減小，渠體復(fù)位，但是一般會有剩余凍脹量，逐年的剩余凍脹量累加會導(dǎo)致渠道襯砌的開裂破壞。

表2 地溫監(jiān)測結(jié)果特征值

表3 含水量監(jiān)測結(jié)果特征值

從觀測數(shù)據(jù)看，Q2方案和Q3方案在同樣位置的含水量要低于Q1方案，說明保溫板和土工布及碎石墊層，對降低襯砌下部的含水量有一定作用，對發(fā)生凍脹破壞有延緩作用。

3.2.3 地下水位監(jiān)測結(jié)果分析

基土的含水量超過一定值時會發(fā)生凍脹，但若無地下水補(bǔ)給，凍脹量會較小，凍害較輕。如果凍結(jié)期間有地下水補(bǔ)給，水向凍結(jié)封面不斷遷移，凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹量會較大，對渠道防滲工程造成的破壞則更為嚴(yán)重。試驗(yàn)段地下水位觀測具體見表4。

表4 地下水位監(jiān)測結(jié)果

表4可看出，地下水位在渠道停水時最淺，在渠底以上0.8 m左右，隨著時間的推移，地下水位在逐漸下降，進(jìn)入凍結(jié)期，地下水位降至渠底以上0.3 m。在凍結(jié)期間，地下水位對渠道基土具有水分補(bǔ)給條件，這是造成基土凍脹量較大的主要原因，也是造成混凝土襯砌下部較中上部凍脹量大的主要原因。在這種情況下，采用保溫措施，目的就是減少凍層深度，減弱或消除基土薄膜水的存在，以降低基土含水量，減弱或擺脫地下水對凍結(jié)峰面的補(bǔ)給，從而減少基土凍脹量。

4 結(jié) 語

含水量和溫度是造成土體凍脹的必要條件，當(dāng)土中含水量達(dá)到該土的起始凍脹含水量并存在負(fù)溫時才會出現(xiàn)凍脹。從3種試驗(yàn)方案的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來看，Q2方案和Q3方案在保溫性和減少基土含水量方面都有很好的效果，不僅可以減小凍脹量還可以縮短凍脹發(fā)生的時間。另外，保溫板和碎石層對于減小基土凍脹對混凝土襯砌的破壞都可以起到一定的緩沖作用。