不同斷面類型混凝土墊層渠道抗凍脹設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

肖 讓，陳海龍，張永玲,何文博，尚 璐

(1.河西學(xué)院土木工程學(xué)院；2.河西走廊水資源保護(hù)利用研究所；3.甘州區(qū)水利工程隊(duì)，甘肅 張掖 734000)

為解決水資源不足和浪費(fèi)等嚴(yán)重問(wèn)題，渠道抗凍脹優(yōu)化設(shè)計(jì)能提高輸水效率，減少滲透水量。張掖市現(xiàn)有的灌溉渠道，在輸水過(guò)程中，由于渠道遭受凍脹破壞而產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致灌溉用水滲漏到渠底土壤，造成水量損失，灌溉用水沒(méi)有被充分利用。由此可見(jiàn)，渠道抗凍脹優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的重要性[1- 2]。

1 灌區(qū)概況

張掖市甘州區(qū)大滿灌區(qū)干渠全長(zhǎng)41.83km，支渠與分支渠總長(zhǎng)131.04km，斗渠全長(zhǎng)109.3km。大滿灌區(qū)位于甘州區(qū)西部，氣候寒冷，為典型的溫帶大陸性氣候，冬季寒冷干燥，多年平均氣溫在7℃左右，溫差最高可達(dá)31℃，每年11月中旬開(kāi)始封凍，次年3月完成解凍，凍結(jié)期約4個(gè)月，凍土深度達(dá)到109～123cm，夏季炎熱濕潤(rùn)，降雨主要集中在6—9月之間。張掖地區(qū)全年降雨量較少，但是蒸發(fā)量較大，且張掖地區(qū)風(fēng)向大多為西北風(fēng)向。

2 凍脹破壞相關(guān)參數(shù)分析

通過(guò)對(duì)張掖市甘州區(qū)大滿灌區(qū)渠道實(shí)地勘察，收集到渠道所處的地理位置條件及渠基地基土物理性質(zhì)，對(duì)不同斷面類型渠道凍脹變形程度進(jìn)行調(diào)查得出影響渠道凍脹的主要因素有：土壤水分、氣候條件、混凝土特性、渠基土的物理性質(zhì)。分析可得出這些影響因素對(duì)渠道凍脹的具體影響。

2.1 土壤水分

土壤水主要由結(jié)合水和自由水組成，而自由水分成毛管水和重力水，渠道發(fā)生凍脹破壞是自由水引起的。在冬季氣溫降低，灌區(qū)的混凝土墊層下方土體溫度下降到0℃以下，土中的水分凝結(jié)成冰，造成了渠道的凍脹破壞，且不同深度的土層含水率不一樣，故而，渠基內(nèi)水分含量對(duì)渠道凍脹有很大的影響[3]。通過(guò)選擇張掖市干渠某50 m凍脹明顯的渠段作研究對(duì)象，使用土鉆法和烘干法測(cè)定土壤含水率，通過(guò)觀測(cè)和參考文獻(xiàn)資料可知，渠基土壤含水率跟土層深度成正相關(guān)，即隨著土層深度的增加渠基含水率不斷增加，0℃時(shí)渠底土層結(jié)冰，渠道發(fā)生凍脹。開(kāi)春時(shí)張掖市灌區(qū)溫度上升，凍土層的冰融化，含水率增大，渠道變形，使渠基部分隆起，造成混凝土破壞，使渠道內(nèi)水量下滲損失[4]。

2.2 氣候條件

張掖市深居內(nèi)陸，距離海洋較遠(yuǎn)，冬夏季時(shí)間較長(zhǎng)，春秋季時(shí)間較短，氣溫在11月到來(lái)年3月之間較低，相對(duì)濕度較大，易造成渠道混凝土凍脹破壞[5]。

2.3 混凝土特性

因?yàn)槎緝鋈诘挠绊?，防滲渠道出現(xiàn)強(qiáng)度降低、滲透性增大等變化。凍融作用于混凝土使表面剝落，嚴(yán)重時(shí)可能露出石子。當(dāng)外界溫度較低時(shí)，混凝土受到凍融作用，表層產(chǎn)生細(xì)小的裂縫，剛開(kāi)始這些裂縫不會(huì)影響渠道輸水，但是凍融一次又一次的作用于混凝土表層時(shí)，會(huì)使細(xì)小的裂縫不斷開(kāi)裂變大，開(kāi)始影響渠道輸水，造成水量損失[6- 8]。凍融破壞不僅引起混凝土表面剝落，而且導(dǎo)致混凝土力學(xué)性能的顯著降低[9]。冬季凍融降低了防滲渠道混凝土的抗壓強(qiáng)度和防滲能力，氣溫在0℃以下時(shí)，混凝土中的游離水結(jié)冰，在混凝土內(nèi)部膨脹，對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大應(yīng)力，溫度高于0℃時(shí)，結(jié)冰的游離水會(huì)融化，降低混凝土內(nèi)部應(yīng)力，膨脹作用會(huì)消失，在頻繁的作用下，造成混凝土疲勞，易造成破壞[10- 12]。凍融作用增大了混凝土內(nèi)部的孔隙導(dǎo)致防滲性能的降低，張掖市甘州區(qū)渠道凍融現(xiàn)象尤為顯著。項(xiàng)目組利用HT- 225型混凝土回彈儀(沖擊能量2.207J)按照J(rèn)GJ/T23—2011《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》，于2018年2月對(duì)試驗(yàn)段混凝土進(jìn)行了測(cè)定，測(cè)得張掖市甘州區(qū)大滿灌區(qū)的渠道混凝土強(qiáng)度變化，見(jiàn)表1。

2.4 渠基土的物理性質(zhì)

土壤包括凍脹性土和非凍脹性土，而大滿干渠渠床地基土為低液限粉土，屬于凍脹性土，工程地質(zhì)條件較差[13]。因顆粒大小不同，吸收水分的能力不同，吸水能力與凍脹能力成正比，顆粒間級(jí)配與凍脹力成反比[14- 15]。滲透能力較高，渠道發(fā)生凍脹破壞后，損失的水量較大，其物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

建議對(duì)原渠道拆除重新襯砌，橫斷面形式采用弧形底梯形斷面，襯砌材料根據(jù)改建渠道的地形、地質(zhì)、運(yùn)行條件及當(dāng)?shù)亟ㄖ牧蟽?chǔ)量綜合分析，選擇大柏支渠橫斷面為典型斷面，采用以下三種襯砌方案進(jìn)行比較，三種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

方案一：采用弧形底梯形斷面，底弧半徑0.7m，邊坡比1∶1，渠深0.8m，渠口寬2.18m。全斷面現(xiàn)澆C20砼襯砌，渠底12cm，渠坡底部厚12cm、頂部厚10cm。砂礫石墊層底厚80cm，陰坡厚60～80cm，陽(yáng)坡厚40～60cm。其優(yōu)點(diǎn)是防滲效果好，抗凍脹、抗沖刷效果較好，結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)，施工工序少，耗用勞動(dòng)力少，造價(jià)低，使用壽命長(zhǎng)，施工方法已經(jīng)很成熟，并取得了豐富的施工經(jīng)驗(yàn)。單位投資小，單位投資為397.4元/m。

方案二：采用弧形底梯形斷面，底弧半徑0.7m，邊坡比1∶1，渠深0.8m，渠口寬2.18m。渠底C20現(xiàn)澆砼襯砌，渠坡采用C20砼預(yù)制件襯砌，預(yù)制件下面鋪設(shè)土工膜防滲，渠底厚12cm，渠坡厚8cm。砂礫石墊層底厚80cm，陰坡厚60～80cm，陽(yáng)坡厚40～60cm。其優(yōu)點(diǎn)是工程防滲效果好，抗凍脹效果好，凍脹破壞便于維修；缺點(diǎn)是施工工序多，施工工藝復(fù)雜，質(zhì)量不易控制。整體性差，運(yùn)行過(guò)程中易發(fā)生破壞。單位投資最大。單位投資為420.9元/m。

表1 回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度原始記錄和計(jì)算結(jié)果 單位：MPa

表2 渠床地基土物理性質(zhì)試驗(yàn)成果匯總表

圖1 大柏支渠橫斷面三種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案示意圖

方案三：采用弧形底梯形斷面，底弧半徑0.7m，邊坡比1∶1，渠深0.8m，渠口寬2.18m?；⌒蔚着c邊坡采用30cm厚C20細(xì)粒砼砌石襯砌。砂礫石墊層底厚60cm，陰坡厚40～60cm，陽(yáng)坡厚20～40cm。其優(yōu)點(diǎn)是抗凍脹、抗沖刷效果較好，施工方便，施工方法成熟；缺點(diǎn)是塊(卵)石采集困難，施工質(zhì)量極不易保證，使用壽命短。單位投資較大，單位投資為415.1元/m。

通過(guò)以上綜合比較分析，經(jīng)方案比選，方案一弧形底梯形斷面，全斷面C20現(xiàn)澆砼襯砌方案最優(yōu)，故為設(shè)計(jì)推薦方案。為防止冬季渠道及渠系建筑物發(fā)生凍脹破壞，參照SL23—2006《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定[16]，建議對(duì)改建渠道進(jìn)行抗凍脹設(shè)計(jì)。

本次抗凍脹設(shè)計(jì)具體分析了改建干支渠道的地下水位埋深、渠床土質(zhì)類型、挖填情況等，選擇大柏支渠斷面為典型斷面，采用基土置換法和保溫措施法兩種方案進(jìn)行比較。

方案一：采用基土置換法，弧形底梯形斷面，底弧半徑0.7m，邊坡系數(shù)1∶1，渠深0.8m；全斷面現(xiàn)澆C20砼襯砌，渠底12cm，渠坡底部厚12cm、頂部厚10cm。墊層底厚80cm，陰坡60～80cm，陽(yáng)坡40～60cm。

方案二：采用保溫措施法，梯形斷面，底寬0.7m，邊坡系數(shù)1∶1，渠深0.8；渠底現(xiàn)澆C20砼襯砌，渠底厚12cm，渠坡C20砼預(yù)制塊襯砌，預(yù)制件下面鋪設(shè)土工膜防滲，渠坡厚8cm。采用泡沫板防凍，泡沫板底坡均厚10cm。

兩種抗凍脹設(shè)計(jì)方案比較，首先從渠道斷面結(jié)構(gòu)而言，方案一為弧形底梯形斷面，相比方案二梯形斷面抗凍脹能力強(qiáng)，其次，從抗凍脹材料的選擇上，方案一采用基土置換，便于就地取材，節(jié)省成本，施工簡(jiǎn)單；方案二采用泡沫板，不利于節(jié)約工程成本。綜上所述，弧形底梯形斷面，結(jié)合基土置換設(shè)計(jì)為大柏支渠改建最優(yōu)抗凍脹設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

為避免襯砌發(fā)生基土凍脹破壞，保證渠道襯砌的防滲減糙作用，應(yīng)針對(duì)不同的基土凍脹情況，結(jié)合凍脹計(jì)算成果確定的換填料厚度，采取相應(yīng)的防凍脹形式。不僅要根據(jù)工程的實(shí)際情況，結(jié)合施工流程進(jìn)行施工，而且要充分考慮施工地區(qū)渠道凍脹的相關(guān)參數(shù)(土壤水分、氣候條件、混凝土特性以及渠基土的物理性質(zhì))。通過(guò)對(duì)河西灌區(qū)不同斷面類型混凝土墊層渠道抗凍脹設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，建議對(duì)原渠道拆除重新襯砌，橫斷面形式均采用弧形底梯形斷面，襯砌材料根據(jù)改建渠道的地形、地質(zhì)、運(yùn)行條件及當(dāng)?shù)亟ㄖ牧蟽?chǔ)量綜合分析，選擇大柏支渠橫斷面為典型斷面。該方案不僅能夠加強(qiáng)混凝土質(zhì)量的控制，做好混凝土養(yǎng)護(hù)和缺陷處理工作，而且可以保障渠道混凝土的質(zhì)量和性能。