寒區(qū)長(zhǎng)距離輸水渠道膜袋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化試驗(yàn)研究

易斌華，鄒 芳

(1.江西富邦建設(shè)有限公司，江西 九江 332400；2.江西長(zhǎng)華建設(shè)工程有限公司，江西 南昌 330100)

在我國(guó)北方寒區(qū)，對(duì)灌溉渠道采取一定的防凍脹工程措施，對(duì)降低凍脹破壞，提高渠道的使用年限具有重要作用[1]。近年來(lái)，我國(guó)在寒區(qū)渠道保溫防凍脹材料和技術(shù)研究方面有了突破性進(jìn)展，開發(fā)了一系列新工藝和新技術(shù)，并在渠道防凍脹方面取得了顯著的效果[2]。膜袋混凝土是利用高壓泵將流動(dòng)性混凝土灌入膜袋，混凝土中多余的水分通過(guò)膜袋表面的孔隙滲出并凝固成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[3]。由于膜袋混凝土具有便于操作、省工省時(shí)、施工速度快的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在北方寒區(qū)渠道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)施工中得到廣泛應(yīng)用[4]。相關(guān)的理論研究和工程實(shí)踐顯示，膜袋混凝土相對(duì)于普通混凝土在抗凍脹變形能力方面有顯著增強(qiáng)[5]，但是在灌區(qū)取代襯砌建設(shè)方面尚沒有理論和實(shí)踐支持。因此，本文以某灌區(qū)渠道為工程背景，利用實(shí)驗(yàn)研究的方法，對(duì)不同膜袋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)形式的抗凍脹能力展開試驗(yàn)研究，為獲得具有最佳防凍脹能力的襯砌結(jié)構(gòu)形式提供支持。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)渠段概況

某灌區(qū)是一個(gè)水資源短缺的大型灌區(qū)[5]。灌區(qū)現(xiàn)有總長(zhǎng)155km的灌溉渠道，其中干渠2條、支渠10條和斗渠20條，有效灌溉面積約2800hm2。灌區(qū)屬于典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷多雪、夏季炎熱多短時(shí)強(qiáng)降雨、年平均氣溫8.7℃，極端最高氣溫41.2℃，極端最低氣溫-38.8℃。灌區(qū)多年最大凍土深度1.2m，封凍期為11月中下旬至次年4月。研究渠段為灌區(qū)的新建試驗(yàn)渠段。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案與觀測(cè)項(xiàng)目

根據(jù)某灌區(qū)的實(shí)際情況及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了12、15、18cm 三種不同襯砌厚度以及有、無(wú)防滲膜2種不同類型的膜袋進(jìn)行交叉試驗(yàn)[6]，共獲得6種不同的試驗(yàn)方案，見表1。其中，每個(gè)試驗(yàn)方案的渠段長(zhǎng)度為12m，全部試驗(yàn)渠段的總長(zhǎng)度為72m。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，設(shè)計(jì)了2個(gè)主要觀測(cè)項(xiàng)目，分別是表面凍脹破壞觀測(cè)以及凍脹量觀測(cè)。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

比較嚴(yán)重的凍脹破壞會(huì)引起渠道襯砌表面的明顯變化[7]。因此，研究中需要對(duì)渠道襯砌進(jìn)行觀測(cè)，其主要內(nèi)容是觀測(cè)是否存在鼓脹、隆起以及破碎等現(xiàn)象。每15d進(jìn)行一次觀測(cè)并做好相應(yīng)的記錄。

為了進(jìn)行凍脹量的實(shí)測(cè)，試驗(yàn)渠段施工過(guò)程中，在觀測(cè)部位設(shè)置高程觀測(cè)點(diǎn)，并通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)在凍脹作用下的高程變化進(jìn)行凍脹量的推算[8]。每種方案的試驗(yàn)渠段共提前埋設(shè)4個(gè)高程測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，其位置在兩側(cè)渠坡的上部和下部1/3部位。高程測(cè)量采用水準(zhǔn)儀和四等水準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量，測(cè)量時(shí)間與表面觀測(cè)時(shí)間同步。如果由于施工原因高程點(diǎn)存在比較顯著的鼓脹和沉降變形時(shí)應(yīng)該舍棄，以保證結(jié)果的精度和研究成果的嚴(yán)謹(jǐn)性，高程布置點(diǎn)如圖1所示。

圖1 測(cè)量高程點(diǎn)布置方案示意圖

2 試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果與分析

2.1 襯砌表面觀測(cè)結(jié)果與分析

試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)不同方案下的渠道襯砌進(jìn)行表面觀測(cè)，觀測(cè)始于2017年12月7日，結(jié)束于2018年4月13日。在觀測(cè)期內(nèi)，渠內(nèi)存在部分積水且已經(jīng)結(jié)冰，由于水面較低，并不影響觀測(cè)的進(jìn)行。結(jié)果顯示，在觀測(cè)期內(nèi)膜袋混凝土襯砌表面沒有明顯的鼓起、上抬、開裂、錯(cuò)位和架空等現(xiàn)象，襯砌表面基本保持完整，僅方案6的東岸存在一處襯砌隆起現(xiàn)象，其余部位均未發(fā)生凍脹破壞。因此，由表面觀測(cè)結(jié)果可知，試驗(yàn)渠段的渠道襯砌在正常使用條件下，不會(huì)發(fā)生凍脹破壞，渠道的整體性完整[9- 15]。

2.2 凍脹量觀測(cè)結(jié)果與分析

根據(jù)凍脹量的計(jì)算結(jié)果繪制出如圖2所示的凍脹量隨時(shí)間變化的曲線。由圖2可知，研究渠段東西兩岸的凍脹量并無(wú)明顯差異，究其原因，主要是試驗(yàn)渠段為南北走向，因此兩側(cè)渠坡在接受太陽(yáng)輻射能方面并沒有顯著差別。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，各方案下的凍脹量的最大值為6～11cm。其中，方案5的凍脹量最大，為11cm，方案1的凍脹量最小值為5.7cm。渠坡的凍脹量分布主要集中于渠坡的上部1/3部位和下部的1/3部位，且渠坡下部的1/3部位的凍脹量總體較大。從時(shí)間序列來(lái)看，各方案下的凍脹量隨著時(shí)間的推移逐漸增大，并于2018年2月中旬到下旬達(dá)到最大值，之后凍脹量逐漸減小。這說(shuō)明，渠道的凍脹量主要受氣溫因素的影響，與當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁刈兓卣骰疽恢虏⒊尸F(xiàn)出一定的滯后性。

圖2 凍脹量隨時(shí)間變化曲線

2.3 防滲膜對(duì)凍脹量的影響

混凝土材料屬于一種多相符合材料，具有抗壓強(qiáng)度大、抗拉強(qiáng)度低、脆性大的特點(diǎn)，因此在混凝土結(jié)構(gòu)研究中主要關(guān)注結(jié)構(gòu)裂縫問題。土工膜是以高分子聚合物為原料制成的一種新型防滲材料，可以利用其良好的阻水性能，阻斷灌溉渠道的襯砌結(jié)構(gòu)與基土之間的漏水通道。由于施作土工膜會(huì)顯著改變渠坡內(nèi)部的滲流與水分遷移特點(diǎn)，也將對(duì)襯砌凍脹特征造成一定影響。因此，以研究中的觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，整理出相同膜袋混凝土襯砌厚度條件下的渠道凍脹量，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，防滲膜對(duì)渠道凍脹量存在比較顯著的影響，在膜袋混凝土襯砌厚度不變的情況下，施作防滲膜對(duì)減小凍脹量存在顯著作用。從具體數(shù)值來(lái)看，膜袋混凝土襯砌厚度為12、15、18cm條件下，施作防滲膜時(shí)，凍脹量分別減小48.07%、48.65%和18.08%。從減小幅度上看，當(dāng)膜袋混凝土襯砌厚度較小時(shí)，施作防滲膜對(duì)減小凍脹量的作用十分明顯，當(dāng)膜袋混凝土襯砌厚度較大時(shí)，施作防滲膜對(duì)減小凍脹量的作用不太明顯。因此，在膜袋混凝土襯砌厚度較小時(shí)，推薦施作防滲膜。

2.4 襯砌厚度影響的結(jié)果分析

渠道凍脹的主要因素是渠道基土內(nèi)所含水分凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹力作用。由于渠道膜袋混凝土襯砌板厚度的增加會(huì)使襯砌結(jié)構(gòu)的重量明顯加大，這必然會(huì)對(duì)基土凍脹力產(chǎn)生一定的抵消作用，從而影響到凍脹量。因此，基于凍脹量觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制出如圖4所示的不同厚度襯砌結(jié)構(gòu)下的凍脹量對(duì)比結(jié)果。由圖4可知，膜袋混凝土襯砌板的厚度增加可以在一定程度上減小凍脹量，但是效果并不理想。在有無(wú)防滲膜條件下，襯砌板厚度為12cm時(shí)的凍脹量最大，但是厚度15、18cm襯砌板條件下的凍脹量減小幅度并不大，特別是厚度超過(guò)15cm以后，襯砌板厚度對(duì)凍脹量的影響極為有限。因此，在灌區(qū)防滲施工中，推薦采用厚度為15cm的膜袋混凝土襯砌板。

圖3 不同位置凍脹量對(duì)比分析

圖4 不同厚度凍脹量對(duì)比分析

3 結(jié)語(yǔ)

膜袋混凝土不僅具有良好的抗拉性能，而且比普通混凝土襯砌板在一定程度上具有更好的防滲作用，目前膜袋混凝土技術(shù)被廣泛應(yīng)用到渠道襯砌中。本文采用試驗(yàn)的方法對(duì)不同膜袋混凝土厚度和防滲膜對(duì)灌溉渠道襯砌凍脹的影響進(jìn)行研究，根據(jù)研究結(jié)果獲得最佳膜袋混凝土襯砌設(shè)計(jì)方案，可以為今后的渠道襯砌工程提供參考依據(jù)。當(dāng)然，由于觀測(cè)試驗(yàn)的條件限制，僅對(duì)凍脹量的大小進(jìn)行測(cè)定，而凍脹力大小、渠基下凍深等尚未有準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)提供，在今后的研究中需要更多的數(shù)據(jù)支持，以求獲得更為精準(zhǔn)的研究成果。