北疆某寒冷灌區(qū)U形渠道抗凍脹結(jié)構(gòu)應(yīng)用分析

蔡 峰

(新疆水利水電科學(xué)研究院，新疆 烏魯木齊 830049)

新疆北疆地區(qū)半數(shù)以上渠道存在嚴(yán)重的凍害問題，因渠道凍脹破壞而產(chǎn)生的滲漏與凍脹又互為因果，導(dǎo)致渠道滲漏、凍脹、失穩(wěn)等凍融破壞十分普遍，直接影響渠道的安全運(yùn)行與效益發(fā)揮。因凍害導(dǎo)致滲漏損失約占總引水量的30%～60%，對水資源缺乏并依靠灌溉發(fā)展農(nóng)業(yè)的旱寒區(qū)而言，渠道的凍害問題已成為寒冷灌區(qū)健康發(fā)展的瓶頸之一[1]。

渠道襯砌防滲是目前應(yīng)用最廣泛的節(jié)水措施，是提高農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率的關(guān)鍵技術(shù)。明渠襯砌防滲斷面形式有梯形(包括弧形底梯形、弧形坡腳梯形)、矩形、U形等，在寒冷凍土地區(qū)，大中型輸水渠道一般可選擇弧形底梯形或弧形坡腳梯形斷面來提高渠道的抗凍脹和輸水性能；小型渠道可選擇U形斷面，不僅可提高渠道的抗凍脹結(jié)構(gòu)性能，且水力特性好、占地少，因此，U形襯砌渠道是寒區(qū)末級小型防滲渠道首選抗凍脹結(jié)構(gòu)斷面。

近年來，對輸水工程的凍脹研究不斷深入，通過凍脹試驗(yàn)和數(shù)值模擬，探究了不同類型的凍土在寒冷環(huán)境下的凍脹特性。在U形渠道抗凍脹性能研究方面，通過數(shù)值模擬，分析U形渠道襯砌在凍脹作用下的變形破壞情況[2]；通過數(shù)值模擬分析襯砌受力的不均勻性、渠道凍結(jié)力和凍脹力變化的離散程度[3]，得出不同凍脹地質(zhì)條件下襯砌結(jié)構(gòu)的各因素受力情況的定量關(guān)系不同，土質(zhì)冰凍情況對U形渠抗凍結(jié)構(gòu)受力關(guān)系有直接影響。但在工程實(shí)踐中，對不同凍土冰凍特性進(jìn)行具體的量化研究[4]，來確定小型渠道工程抗凍脹形狀結(jié)構(gòu)參數(shù)[5]，在技術(shù)保證和質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)方面不具有實(shí)用性和操作性，因此對影響渠道結(jié)構(gòu)受力的定量關(guān)系因素進(jìn)行簡化，對小型渠道抗凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更具有實(shí)用可操作性。

本文以某灌區(qū)末級渠系防滲改造工程為例，對U形混凝土襯砌渠道從水力學(xué)和抗凍脹結(jié)構(gòu)性能方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，確定U形渠合理優(yōu)化的斷面形態(tài)5]，并對該U形渠主要凍脹因素及相應(yīng)防治措施進(jìn)行分析論述。

1 基本情況

北疆某大型灌區(qū)末級渠系原為梯形混凝土板襯砌渠道，經(jīng)過多年運(yùn)行凍脹破壞嚴(yán)重，完好率不到45%，渠道滲漏量大，農(nóng)業(yè)灌溉保證率低，嚴(yán)重影響灌區(qū)灌溉。為提高灌區(qū)水利設(shè)施利用率和農(nóng)業(yè)灌溉保證率，保障農(nóng)業(yè)安全，依托國家財(cái)政支持的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目對灌區(qū)灌溉渠系進(jìn)行改造和提升，2012年起對灌區(qū)內(nèi)數(shù)百公里的末級渠道進(jìn)行了防滲抗凍改造建設(shè)。

根據(jù)地質(zhì)資料，灌區(qū)內(nèi)地層主要由粉質(zhì)粘土組成，屬凍脹土，須提高渠道的抗凍脹性能。通過論證，采用現(xiàn)澆混凝土U形斷面對末級渠道進(jìn)行防滲改造。由于末級渠系渠道數(shù)量多，為保證不同規(guī)格渠道的設(shè)計(jì)施工質(zhì)量并提高工程建設(shè)效率降低成本，對不同規(guī)格的渠道斷面采用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一設(shè)計(jì)，確定不同的標(biāo)準(zhǔn)化斷面結(jié)構(gòu)尺寸。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐貙咏Y(jié)冰凍脹情況，結(jié)合渠道水力參數(shù)，分析計(jì)算不同規(guī)格U形渠道標(biāo)準(zhǔn)斷面，保證斷面結(jié)構(gòu)抗凍脹性能及過流能力的最優(yōu)合理性，同時(shí)在此基礎(chǔ)上確定襯砌參數(shù)及墊層形式。

2 渠道凍脹破壞成因

襯砌渠道冰凍破壞一般分為：襯砌混凝土凍融循環(huán)破壞、渠水結(jié)冰對混凝土板的破壞、渠基土凍脹造成渠道襯砌的破壞。渠基的凍脹破壞是渠道襯砌破壞最普遍的原因，也是寒冷灌區(qū)渠道襯砌破壞最主要的因素，因此在灌區(qū)渠道抗凍脹結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要對渠基的凍脹破壞進(jìn)行分析并采取相應(yīng)措施[7]，可取得較好的防治凍脹效果。

渠道凍脹產(chǎn)生的重要因素是渠基土內(nèi)的水分遷移導(dǎo)致的渠基凍脹。在負(fù)溫條件下，渠基土凍深范圍內(nèi)的水分結(jié)冰時(shí)，土壤中的水分不斷向凍結(jié)鋒面遷移并出現(xiàn)凍結(jié)膨脹現(xiàn)象。根據(jù)水分遷移機(jī)理，渠道滲漏的水分及地下毛細(xì)水由下部土體向凍結(jié)鋒面聚集并重新分布，水分遷移在凍結(jié)面上形成冰夾層和冰楔，在緊密接觸的土顆粒之間楔入冰層，土顆粒間的有效壓力通過顆粒間的冰楔傳遞，冰夾層和冰楔不斷加厚導(dǎo)致凍脹土層體積不斷增大[8]。在此過程中由于受到混凝土襯砌的約束而產(chǎn)生凍脹力。渠道混凝土板在凍脹力的作用下被抬起，同時(shí)渠道襯砌會(huì)與渠基土凍結(jié)為一整體，在凍脹力、凍結(jié)力及重力的共同作用下，襯砌板上的各種法向和切向應(yīng)力在混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生不均勻的彎矩和拉應(yīng)力，使混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂并導(dǎo)致渠道襯砌凍脹破壞[9]。

因此，整體式混凝土U形斷面渠道抗凍脹措施主要從2個(gè)方面考慮：①優(yōu)化混凝土U形斷面結(jié)構(gòu)，提高渠道襯砌自身抗凍脹破壞性能；②對渠基凍脹土進(jìn)行換填，降低渠基土的凍脹性。

3 渠道凍脹結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

3.1 U形襯砌力學(xué)模型設(shè)定

渠道混凝土襯砌凍脹破壞的主要原因是凍脹力作用下襯砌結(jié)構(gòu)的不均勻凍脹變形被渠床凍土凍結(jié)約束和襯砌之間相互約束，在此作用下襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩和拉應(yīng)力超過混凝土襯砌結(jié)構(gòu)抗拉抗彎能力時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)就發(fā)生破壞。在實(shí)際工程中，渠道在結(jié)冰及基土凍結(jié)凍脹過程中的各種內(nèi)力和外力變化是十分復(fù)雜的[10，11]。通過工程實(shí)踐和相關(guān)科研實(shí)驗(yàn)研究，在混凝土渠道的凍脹力學(xué)分析中，對渠道的受力條件進(jìn)行必要的簡化和假設(shè)，建立符合實(shí)際的力學(xué)模型[12，13]，對一般U形渠道的抗凍脹結(jié)構(gòu)分析是可靠有效的途徑，可以滿足渠道斷面的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算設(shè)計(jì)需要。

根據(jù)U形渠道凍脹破壞特征、成因及破壞機(jī)理，整體式混凝土襯砌U形渠道的力學(xué)模型基于以下假設(shè)：凍脹力對稱分布，兩側(cè)均以最不利的陰坡計(jì)算；襯砌混凝土為線彈性材料，可應(yīng)用迭加原理；凍土的彈性模量遠(yuǎn)小于混凝土的彈性模量，只考慮土體對襯砌板施加凍脹力并提供被動(dòng)凍結(jié)約束[14]；法向凍脹力在直板處呈線性分布，渠底最大渠頂最小，直板與弧板相接處與基土牢固凍結(jié)，該點(diǎn)的法向凍結(jié)力為最大值，并在圓弧段均勻分布；切向凍結(jié)力τ沿直板線性分布，在直板與弧板相接處取得最大值，在圓弧段隨半圓心角α呈線性遞減，在渠底處為零；U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)屬薄殼結(jié)構(gòu)，其自重相對于凍脹力及約束反力很小，暫不考慮其影響[15]。

3.2 U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

3.2.1U形渠道最佳水力斷面計(jì)算

輸水最佳水力斷面在一定的縱坡、糙率系數(shù)及流量條件下， 過水?dāng)嗝婷娣e最小。U形渠道過水?dāng)嗝嫒鐖D1所示，其面積S計(jì)算整理結(jié)果如下：

圖1 U形渠道過水?dāng)嗝媸疽鈭D

(1)

式中，R—弧底半徑，m；2α—弧底圓心角,(°)；L—渠坡直線段長度,m。

在渠道某一半徑情況下，渠道斷面積由渠坡直線段和弧底圓心角決定，分別對L和α求導(dǎo)，得最佳水力斷面參數(shù)：

(2)

(3)

解得：

(4)

令

(5)

3.2.2U形襯砌抗凍脹分析計(jì)算

根據(jù)基本假設(shè)，U形襯砌渠道法向凍脹力、切向凍結(jié)力分布如圖2所示。

圖2 法向凍脹力、切向凍結(jié)力分布圖

渠道坡面在法向凍脹力、凍結(jié)力和切向凍結(jié)力共同作用下形成懸臂梁超靜定結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力?；炷量估瓘?qiáng)度較低，渠道結(jié)構(gòu)計(jì)算應(yīng)避免構(gòu)件受拉破壞，使拉應(yīng)力最小。

由以上對渠道邊坡受力情況分析，求得以下U形襯砌板的彎矩表達(dá)式：

(1)渠坡段

(6)

當(dāng)x=L時(shí)，得：

(7)

式中，b—襯砌板厚度,m；τ—切向凍脹力，kN/m3；q—法向凍脹力，kN/m3；F—法向凍結(jié)力，kN。

U形混凝土襯砌結(jié)構(gòu)屬薄殼結(jié)構(gòu)，切向凍脹力對混凝土坡面彎矩很小可忽略不計(jì)，故式(7)可以簡化為:

(8)

(2)圓弧段

以弧底頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，任意一點(diǎn)處的彎矩Mβ為:

Mβ=ML-MQ-Mτ-Mq(0≤β≤α)

(9)

(10)

(11)

Mq=qR[1-cos(α-β)]

(12)

式中，R—弧底圓弧半徑,m；α—弧底圓心角的一半,(°)；β—圓弧段任意一點(diǎn)圓心角,(°)。

U形襯砌彎矩分布如圖3所示，U形襯砌弧底頂點(diǎn)處負(fù)彎矩最大，即β=0時(shí)，有Mβ=Mmax負(fù)；而渠坡與圓弧連接處正彎矩最大。要使U形襯砌所受彎矩大小均勻，讓最大正負(fù)彎矩絕對值相等。將β=0代入式(9)，再令Mmax負(fù)=Mmax正，整理得下式:

圖3 U形襯砌彎矩分布示意圖

(13)

對渠道襯砌整體而言， 豎向凍脹力與凍結(jié)力為大致平衡力，由∑Y=0 得：

(14)

將式(14)代入關(guān)系式(13)，等式兩邊同除以R2，并令L/R=m，同時(shí)將F=qL/3代入，整理關(guān)系式得:

(15)

4 U形渠斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

北疆某寒冷灌區(qū)U形渠系列斷面設(shè)計(jì)參照以上計(jì)算結(jié)果，斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式如下所述。

整體式U形混凝土渠道斷面主要從優(yōu)化混凝土U形襯砌結(jié)構(gòu)和降低渠基土的凍脹性兩個(gè)方面提高渠道抗凍脹性能。

4.1 U形渠斷面幾何規(guī)格確定

通過以上抗凍脹結(jié)構(gòu)和水力斷面分析計(jì)算，選擇確定U形渠最優(yōu)結(jié)構(gòu)斷面。以上計(jì)算避免了通過大量復(fù)雜的室內(nèi)外試驗(yàn)確定凍土的有關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)，而是計(jì)算抗凍脹結(jié)構(gòu)和水力學(xué)意義上的最佳斷面，從凍脹力、切向凍結(jié)力的分布情況來選擇U形渠最優(yōu)結(jié)構(gòu)斷面，為斷面設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

北疆某灌區(qū)末級渠系防滲改建工程采用整體混凝土襯砌U形渠道，根據(jù)以上抗凍脹結(jié)構(gòu)和水力計(jì)算結(jié)果確定U形渠合理標(biāo)準(zhǔn)斷面系列規(guī)格如圖4所示，U形渠道斷面圓弧中心角取∠2α=136.4°，即∠α=68.2°。根據(jù)灌區(qū)情況共設(shè)置5種半徑R、6種渠深H的標(biāo)準(zhǔn)斷面，各種規(guī)格U形渠標(biāo)準(zhǔn)斷面幾何參數(shù)見表1。

表1 防滲改建U形渠道各規(guī)格斷面參數(shù)表 單位：cm

圖4 灌區(qū)系列U形渠斷面規(guī)格圖

該防滲改建工程在設(shè)計(jì)施工中采用以上規(guī)格的U形渠道標(biāo)準(zhǔn)斷面，即滿足渠道抗凍脹性能和過流能力要求特征，減少了設(shè)計(jì)中各渠道斷面結(jié)構(gòu)和最佳水力條件重復(fù)驗(yàn)算，在工程施工中也可成批購置固定規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)模具，簡化了施工模具設(shè)備的加工制作，提高模具的重復(fù)利用率和施工效率，降低了施工成本。

4.2 防凍墊層形式

對渠基凍脹土進(jìn)行換填，降低渠基土的凍脹性，是渠道防治凍脹的重要措施。渠基換填與優(yōu)化混凝土斷面襯砌抗凍脹結(jié)構(gòu)措施相結(jié)合，才能更好地提高渠道的抗凍脹性能，防止寒區(qū)渠道的凍脹破壞。

該U形渠道設(shè)計(jì)根據(jù)當(dāng)?shù)貎錾?，對渠基凍脹土進(jìn)行了置換，如圖5所示。渠道在冬季結(jié)冰期基本停止運(yùn)行，項(xiàng)目區(qū)冬季地下水位低于渠底，治理渠基土的凍脹重點(diǎn)考慮地下水通過毛細(xì)作用向渠基結(jié)冰層凍結(jié)峰面進(jìn)行水分遷移而形成渠基的凍脹。墊層的類型應(yīng)根據(jù)斷面形式及凍土水分情況進(jìn)行設(shè)置[16]，該U形渠防凍墊層只對渠底部分的渠基凍脹土進(jìn)行置換，渠坡部分由于較地下水較遠(yuǎn)且有渠底換填層進(jìn)行隔離，地下水難以對渠坡處渠基土進(jìn)行水分遷移補(bǔ)充，故直接使用挖方土進(jìn)行填筑，即可滿足渠基的凍脹要求又便于施工節(jié)約成本。

圖5 灌區(qū)U形渠斷面結(jié)構(gòu)圖(單位：cm)

該大型灌區(qū)末級渠系防滲改建項(xiàng)目均采用此類結(jié)構(gòu)型式的U形混凝土防滲渠道，抗凍脹效果顯著，工程實(shí)施以來，經(jīng)過改建的U形渠道再未發(fā)生明顯的凍脹破壞現(xiàn)象，為灌區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展提供良好的灌溉保障。

5 結(jié)語

以上整體式混凝土襯砌U形斷面渠道抗凍脹結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析，優(yōu)化確定寒區(qū)U形防滲渠斷面的合理結(jié)構(gòu)形狀，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場渠基地層的凍脹水分遷移特征和地下水情況，采用合理的渠基換填方式來控制渠基土的凍脹，有效解決該寒冷灌區(qū)U形渠道的凍脹問題，具有很好的操作性。

該寒冷灌區(qū)末級渠系防滲改建工程，經(jīng)過多年的運(yùn)行和寒冬凍融周期的考驗(yàn)，渠道運(yùn)行正常、斷面結(jié)構(gòu)完好，完全達(dá)到預(yù)期。渠道結(jié)構(gòu)參數(shù)合理，符合寒區(qū)U形渠道凍脹規(guī)律，抵抗凍害的能力強(qiáng)且易于施工；渠道斷面采用標(biāo)準(zhǔn)化配套尺寸，即保證了渠道斷面設(shè)計(jì)的合理性，又簡化了渠道的設(shè)計(jì)施工程序，降低了施工配套成本，提高了工程的建設(shè)效率和質(zhì)量。對寒區(qū)U形渠道的設(shè)計(jì)建設(shè)具有一定的工程借鑒和參考價(jià)值。