遼陽灌區(qū)渠道防滲防凍脹試驗及結(jié)果分析

徐成志

(遼陽市水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 遼陽 111000)

1 概 述

土工格室是一片一片的高強度HDPE材料聚合物，通過高強度焊接材料通過14個焊接點焊接而成的具有伸縮自如特性的土工環(huán)保合成材料。使用時張開并充填混凝土料可以起到阻裂和細化裂縫的作用，明顯地改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，使混凝土中原生的微裂紋減少、裂縫寬度減小，這必然使混凝土硬化體的抗?jié)B性和韌性得到相當(dāng)程度的提高，使混凝土表面光滑，進而使混凝土的耐久性得到大幅度的提高，對凍融變化和機械損傷等外界因素都具有較高的抵抗能力。目前已被廣泛應(yīng)用于土木工程的各個領(lǐng)域[1]。

格室的深度一般≤20 cm, 其規(guī)格可以按照應(yīng)用場合的不同自行設(shè)計。土工格室結(jié)構(gòu)圖，見圖1。

圖1 土工格室結(jié)構(gòu)圖

1.1 土工格室材料物理力學(xué)性能

土工格室結(jié)構(gòu)可以將大部分垂直力轉(zhuǎn)化為向四周分散的側(cè)向力。土工格室用于渠道邊坡襯砌時，使格室與填充混凝土一起構(gòu)成一種柔性結(jié)構(gòu)層，來改變渠道砌體的受力結(jié)構(gòu)，避免砌體因凍脹引起的結(jié)構(gòu)性改變的現(xiàn)象。

試驗用土工格室物理力學(xué)性能，見表1。

表1 試驗用土工格室物理力學(xué)性能

2 開展防凍脹實驗研究

2.1 工程概況

試驗段所在灌區(qū)屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季多雨炎熱，冬季寒冷。多年平均氣溫為8.6℃，其中7月最高氣溫為24.7℃，1月最低氣溫為-10.9℃；極端最高氣溫37℃，極端最低氣溫-35.6℃；多年平均降雨量為720.7mm，降雨量年內(nèi)分配不均勻，主要集中在5-9月，約占全年降水量的80%；多年平均蒸發(fā)量1641.3mm；多年平均風(fēng)速3.0m/s，主導(dǎo)風(fēng)向SSE，大風(fēng)日數(shù)10d；無霜期平均為165d，平均結(jié)凍期約160d，多年平均最大凍土深度126cm。遼陽灌區(qū)地層巖性簡單，上覆地層巖性大部分為黏土，局部有粉質(zhì)黏土，黏性土一般厚20-30m。其下30-100m為砂卵石層，100-150m以下為基巖層[2-3]。

2.2 試驗段土工格室設(shè)計方案

研究根據(jù)試驗段特點，試驗段在保持原土渠水面線高程和渠道縱比降不變的原則下,選取灌區(qū)三支2斗渠道的三種典型斷面結(jié)構(gòu)形式進行對比研究。這三種結(jié)構(gòu)形式分別為：①設(shè)計斷面1：原狀土夯實+復(fù)合土工膜(兩布一膜)+土工格室混凝土護坡(35cm×35cm×6cm)+7cm現(xiàn)澆鋼筋混凝土底板5@150×150；②設(shè)計斷面2：原狀土夯實+復(fù)合土工膜(兩布一膜)+土工格室混凝土護坡(35cm×35cm×8cm)+7cm現(xiàn)澆鋼筋混凝土底板5@150×150；③設(shè)計斷面3：對比結(jié)構(gòu)，原狀土夯實+7cm現(xiàn)澆鋼筋混凝土5@150×150三種渠道防滲結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)方式。斗渠防滲防凍脹試驗結(jié)構(gòu)橫斷面，見圖2 。

2.2.1 觀測項目設(shè)計

渠道的凍脹過程通常從渠基土溫度變化、渠基土凍深變化和渠基土凍脹量變化3個方面來研究其規(guī)律性。因此,觀測項目包括地溫、凍深、襯砌位移等觀測項目。地溫用TW-1型土壤梯溫儀觀測,觀測其下40cm、60cm、80cm深度內(nèi)的溫度;凍深采用凍土器觀測地表下120cm深度內(nèi)的凍結(jié)深度;砌體位移采用固定標(biāo)點法量測其位移量。根據(jù)需要采集數(shù)據(jù)的特點，數(shù)據(jù)設(shè)定每間隔10d采集1次，在冬季戶外氣溫變化明顯的時間段加密采集數(shù)據(jù)次數(shù)，設(shè)定每5d采集1次[4-5]。

設(shè)計斷面1

設(shè)計斷面2

設(shè)計斷面3

2.2.1.1 襯砌結(jié)構(gòu)層下部土壤不同埋深地溫

試驗主要是采集圖2所設(shè)計三種襯砌結(jié)構(gòu)下部土壤位于40cm，80cm處土壤溫度，直讀式地溫觀測儀埋設(shè)圖，見圖3。

2.2.1.2 襯砌結(jié)構(gòu)層下部土壤凍結(jié)深度

與襯砌結(jié)構(gòu)下部土壤不同深度地溫觀測儀器埋設(shè)位置相同，在襯砌渠坡和渠底分別設(shè)置1個觀測孔，在觀測孔中安裝1套自制凍土測量裝置，裝置長度為150cm，凍土器長度為180cm，凍結(jié)深度觀測尺埋設(shè)布置圖，見圖4。讀取數(shù)據(jù)時提出內(nèi)部乳膠管，輕捏乳膠管可鑒別出管內(nèi)冰和水的分界線位置，用測尺量測冰柱長度，即為凍結(jié)深度[6]。

圖4 凍結(jié)深度觀測尺埋設(shè)布置圖

2.2.1.3 襯砌結(jié)構(gòu)層下部土壤凍脹量

三支2斗進水閘距離選取的試驗段30M遠，因此選取進水閘閘框頂部閘臺為基準(zhǔn)點，采用相對測量法。分別在本次選取的3個設(shè)計斷面試驗段上選定1個觀測斷面，根據(jù)渠道斷面實際寬度設(shè)置不等數(shù)量的觀測點，凍脹量觀測點布置圖，見圖5。每次觀測時使用水準(zhǔn)儀量測每個觀測點與基準(zhǔn)點(閘臺頂部)之間的相對高差的變化，在襯砌結(jié)構(gòu)層下部土壤開始凍結(jié)之前觀測的數(shù)據(jù)做為初始值，在后續(xù)每次觀測到的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)點之間的高差與初始值相比減小的數(shù)值，即為襯砌結(jié)構(gòu)層下部土壤的凍脹量[7]。

(a)

(b)

(c)

3 原形觀測成果及分析

觀測結(jié)果經(jīng)過歷時128d(20151201-20160406)的冬季觀測,得到了各觀測點實測凍脹曲線。

3.1 渠基土溫度變化

土工格室結(jié)構(gòu)40cm深地溫變化過程線，見圖6；土工格室結(jié)構(gòu)80cm深地溫變化過程線，見圖7。

(a)南坡 各結(jié)構(gòu)南坡(陰坡)40cm深地溫曲線圖

(b)北坡 各結(jié)構(gòu)南坡(陰坡)40cm深地溫曲線圖

(a)各結(jié)構(gòu)南坡(陰坡)80cm深地溫曲線圖

(b)各結(jié)構(gòu)北坡40cm深地溫曲線圖

試驗段土渠南坡40cm深地溫最低值-4.7℃，北坡-0.9℃；南坡80cm深地溫最低值-1.2℃，北坡0.4℃。南坡40cm深地溫負溫值持續(xù)時間約73d，北坡約為35d；南坡80cm深地溫負溫值持續(xù)時間約50d，北坡未出現(xiàn)負溫[8]。

地溫曲線反應(yīng)出6cm土工格室結(jié)構(gòu)南坡地溫略<8cm土工格室結(jié)構(gòu)和對比結(jié)構(gòu)，北坡三種結(jié)構(gòu)地溫值基本相同。8cm土工格室結(jié)構(gòu)和對比結(jié)構(gòu)南坡40cm深地溫最低值約為-5℃，>6cm土工格室結(jié)構(gòu)約1℃；80cm深地溫最低值約為-1.5℃，>6cm土工格室結(jié)構(gòu)約0.8℃。3種結(jié)構(gòu)北坡40cm深、80cm深地溫最低值分別為-1℃，0.2℃。

3.2 渠基土凍深變化

斗渠基土凍深變化過程線，見圖8。

(a)南坡

(b)北坡

同渠基土地溫觀測結(jié)果，土工格室結(jié)構(gòu)邊坡凍深變化值與對比結(jié)構(gòu)基本相同。

土工格室結(jié)構(gòu)凍深變化過程線，見圖9。

(a)南坡

(b)北坡

各結(jié)構(gòu)凍深值基本相同，8cm土工格室結(jié)構(gòu)和土渠在2月16日開始出現(xiàn)雙向回融，較6cm土工格室結(jié)構(gòu)和對比結(jié)構(gòu)早約25d。到4月6日為止，6cm土工格室結(jié)構(gòu)融化深度最小，其它結(jié)構(gòu)基本融通。土工格室結(jié)構(gòu)最大凍深值，見表3。

3.3 渠基土凍脹量變化

試驗段各結(jié)構(gòu)凍脹量變化情況，見圖10。

表3 土工格室結(jié)構(gòu)最大凍深值 cm

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(a)-(c)南坡觀測點1，2，3；(d)-(f)北坡觀測點5，6，7。

試驗段各土工格室結(jié)構(gòu)最大凍脹量見表4。最大凍脹量觀測時間為3月14日，此后各結(jié)構(gòu)凍脹量開始下降，渠基土開始回融。南坡8cm土工格室結(jié)構(gòu)凍脹量最小，北坡土渠凍脹量最小，其次為8cm土工格室結(jié)構(gòu)，6cm土工格室結(jié)構(gòu)與對比結(jié)構(gòu)相比，抗凍脹效果并不明顯。

表4 試驗段土工格室結(jié)構(gòu)最大凍脹量

3.4 綜合分析

通過對觀測數(shù)據(jù)的進一步分析，可以得出：設(shè)計斷面二采用的8cm厚土工格室護坡比對比設(shè)計方案三原狀土夯實+7cm現(xiàn)澆鋼筋混凝土凍脹量削減了9.3%，抗凍脹能力比較明顯。土工格室混凝土結(jié)構(gòu)以土工格室與填充混凝土一起構(gòu)成一種柔性結(jié)構(gòu)層共同承受外界作用力，抗凍脹機理體現(xiàn)在以下4各方面[9]：

1)聯(lián)動性的特點。受外界作用力時，一片片土工格室結(jié)構(gòu)可以將大部分垂直力轉(zhuǎn)化為向四周分散的側(cè)向力，填充的混凝土塊不再是獨立受力，而是通過周邊接觸的一片片土工格室，將絕大部分承受的垂直力向土工格室傳遞，最終使土工格室混凝土局部凍脹力分散成側(cè)向力，局部承受的作用力轉(zhuǎn)化為柔性結(jié)構(gòu)層整體發(fā)生改變，避免了混凝土塊因局部承受凍脹而產(chǎn)生的脫坡、局部錯動等現(xiàn)象。

2)對外力作用的分散傳遞的特點。柔性結(jié)構(gòu)層受力變形后，混凝土塊間相互影響對變形向每塊混凝土塊周邊進行分解，使混凝土塊的整體強度和剛度都得到增大，縮小了混凝土塊因承受的外力引起的局部改變，進而增強了柔性結(jié)構(gòu)層的抗凍脹變形現(xiàn)象的發(fā)生。

3)連鎖性共同受力的特點。經(jīng)檢測，本次研究使用的土工格室抗拉強度為22MPa。當(dāng)混凝土塊受外力變形時，土工格室將各混凝土塊牢固的連鎖在一起，體現(xiàn)出抗擊外來作用力強的特點。

4)低溫環(huán)境性能不受影響的特點。土工格室為高強度HDPE材料聚合物，在-40℃低溫下仍具有良好的性能，耐低溫性能優(yōu)異。

4 結(jié) 論

通過對試驗段主要凍脹影響因素和土工格室混凝土結(jié)構(gòu)特點的分析，進行了防滲防凍脹試驗方案的設(shè)計，并對觀測采集到的各組數(shù)據(jù)進行了分析。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，土工格室作為一種新型防凍脹材料與填充混凝土一起構(gòu)成的這種柔性結(jié)構(gòu)層能有效避免凍脹對渠道造成的破壞。目前土工格室在渠道襯砌的應(yīng)用中還處在摸索階段，且渠道防滲防凍脹標(biāo)準(zhǔn)比較低，需要水利部門的科研人員不斷總結(jié)經(jīng)驗，進一步挖掘、開發(fā)出土工格室的優(yōu)異性能，為這一新型材料的廣泛應(yīng)用提供條件。