砂卵石換填對(duì)渠道襯砌抗凍脹效果影響的試驗(yàn)研究

張 晶

(河北省子牙河務(wù)中心，河北 衡水 053000)

我國是灌溉水利的建設(shè)和應(yīng)用大國，灌溉渠系的設(shè)計(jì)和建設(shè)對(duì)保證灌區(qū)灌溉效果，提高有限灌溉水資源的應(yīng)用效率具有十分重要的意義和作用[1]。但是，我國的許多灌溉渠道由于建造的年代久遠(yuǎn)，加上設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，存在比較嚴(yán)重的老化和失修問題[2]。另一方面，受到地理位置和氣候因素的影響，我國的季凍區(qū)面積十分廣大，約占我國國土總面積的50%。在我國北方的季凍區(qū)，渠道的冬春季凍脹破壞問題十分普遍，已經(jīng)成為當(dāng)?shù)赜绊懬肋\(yùn)行安全和耐久性的重要因素[3]。某灌區(qū)在冬春季節(jié)的凍融循環(huán)作用下經(jīng)常發(fā)生比較嚴(yán)重的凍脹破壞現(xiàn)象，加上運(yùn)行時(shí)間長久，因此渠道的滲漏現(xiàn)象也比較嚴(yán)重，造成渠系水利用效率大幅降低[4]。近年來，隨著灌區(qū)灌溉面積的不斷拓展，渠道周邊地區(qū)農(nóng)田的含水量有所增大，進(jìn)一步加劇了渠道的凍脹破壞。在這一背景下，凌源市積極籌集資金，實(shí)施灌區(qū)的改造和續(xù)建工程，而改善渠道的凍脹破壞是渠道改造的重要目標(biāo)。在具體的工程設(shè)計(jì)中，采用其他防凍脹措施的同時(shí)，考慮到當(dāng)?shù)厣奥咽牧戏植紡V泛，擬采用砂卵石換填渠道基土，提高渠道抗凍脹性能。基于此，此次研究通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方式，分析和探討砂卵石換填對(duì)渠道襯砌抗凍脹效果影響，給工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)段選擇

試驗(yàn)中選擇陳杖子灌區(qū)2#支渠Z0+000～Z0+100段作為試驗(yàn)段。該段渠道采用的是現(xiàn)澆型混凝土襯砌渠道，渠道斷面為梯形設(shè)計(jì)，邊坡坡度為1.5，渠底寬2.0 m，渠深1.5 m。渠道的基土土質(zhì)為粉質(zhì)壤土，地下水位在渠道底板以下0.2 m 部位。

1.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

根據(jù)寒區(qū)工程的特點(diǎn)以及凍土理論，渠道基土的凍脹主要是負(fù)溫條件下土體內(nèi)部的孔隙水凝結(jié)造成的，因此渠道凍脹破壞與負(fù)溫、含水量以及基土土體的孔隙率之間具有十分密切的關(guān)系。利用砂卵石換填部分基土，可以起到阻隔地下水的作用，減少換填層內(nèi)的含水量，同時(shí)依靠其增加孔隙冰析出的臨界力，從而實(shí)現(xiàn)凍脹量的有效控制。因此，研究中以選擇的試驗(yàn)段為例，通過對(duì)不同方案下的地溫、濕度以及凍脹量的觀測和分析，探討砂卵石換填對(duì)渠道襯砌抗凍脹效果的具體影響。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中對(duì)基土溫度和凍深的監(jiān)測利用的是單點(diǎn)溫度傳感器，在渠道左右兩側(cè)的頂部和渠底各布置一組溫度傳感器，共4組溫度傳感器。鑒于遼西地區(qū)冬季最大凍深為1.2 m，基土自地表2.0 m以下的溫度變化對(duì)凍脹的影響作用不大,因此，各組溫度傳感器的鉆孔深度為2.0 m，孔內(nèi)每隔20 cm布置1個(gè)溫度傳感器，自上而下共布置11個(gè)溫度傳感器[5]。為了避免傳感器位置變化，要將所有的溫度傳感器串聯(lián)固定并放入PVC管，再放入溫度孔。

在換填條件下，孔隙中的水濕度是上部自由水的主要來源，其變化情況會(huì)直接影響襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹特點(diǎn)[6]。研究中的孔隙水濕度監(jiān)測采用的是SHT30型土壤濕度傳感器。在傳感器的安裝過程中，需要將探針?biāo)讲迦胪馏w，并與土體緊密接觸[7]。

在凍脹量的監(jiān)測方面，采用凍脹位移傳感器[8]。在埋設(shè)過程中，首先需要鉆孔到設(shè)計(jì)的深度，然后在鉆孔內(nèi)放入延長桿，在延長桿上設(shè)置防凍結(jié)套筒，使延長桿底部的底座和土體緊密接觸，并在孔中回填原狀土，然后壓實(shí)。其具體的埋設(shè)方式如圖1所示。

圖1 凍脹位移傳感器埋設(shè)方式

1.4 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)段的襯砌結(jié)構(gòu)為厚度6 cm的預(yù)制混凝土板，表層為3 cm的水泥砂漿抹面，襯砌結(jié)構(gòu)與基土之間布置厚度為5 cm的聚丙烯泡沫板。在基土換填方案下，將襯砌結(jié)構(gòu)以下50 cm厚的基土換填為不同粒徑的砂卵石材料。為了研究獲取換填砂卵石對(duì)渠道抗凍脹效果的影響，根據(jù)當(dāng)?shù)厣奥咽系膶?shí)際特點(diǎn)，研究中設(shè)計(jì)了2～4 cm、4～6 cm、6～8 cm和10～15 cm等四種不用粒徑的砂卵石料進(jìn)行換填試驗(yàn)，分別記為方案1、方案2、方案3、方案4，同時(shí)將沒有換填的原狀基土作為對(duì)比方案，記為方案5。試驗(yàn)段在2020年12月1日完工并開始試驗(yàn)，12月30日試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍深試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)試驗(yàn)中獲得的溫度垂向分布數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，獲取典型時(shí)段的最大凍深，如表1所示。由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著環(huán)境溫度的逐步降低，各方案的基土最大凍深也呈現(xiàn)出逐步增加的變化特征，但是增加的幅度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。從不同方案的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來看，方案5，即沒有換填基土方案的凍深明顯偏大。以試驗(yàn)結(jié)束的12月 30日數(shù)據(jù)為例，其最大凍深為1.14 m，與方案1、方案2、方案3和方案4相比，分別大了35.7%、48.1%、70.1%和56.2%。由此可見，對(duì)渠道基土進(jìn)行砂卵石換填可以顯著降低基土的凍深，這對(duì)于控制渠道的凍脹破壞是有利的。另一方面，從不同換填方案的試驗(yàn)結(jié)果來看，基土凍深會(huì)隨著砂卵石粒徑的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點(diǎn)，方案3，即砂卵石的粒徑在6～8 cm 時(shí)的凍深相對(duì)較淺，渠道的抗凍脹效果最佳。

表1 不同方案的最大凍深試驗(yàn)結(jié)果 m

2.2 濕度試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)試驗(yàn)中獲得的換填層濕度數(shù)據(jù)(方案5為同深度土層數(shù)據(jù))整理,獲取典型時(shí)段的濕度數(shù)據(jù)，如表2所示。由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，各試驗(yàn)方案換填層的濕度隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，呈現(xiàn)出先下降后上升最終趨于穩(wěn)定的變化特征。從不同試驗(yàn)方案的結(jié)果對(duì)比來看，方案5的濕度值較其余4個(gè)方案明顯偏大，說明砂卵石換填有助于降低基土濕度，對(duì)控制凍脹變形有利。從不同換填方案的對(duì)比來看，方案3的濕度試驗(yàn)結(jié)果最小，說明該方案對(duì)控制基土濕度最為有利。

表2 不同方案的換填層濕度試驗(yàn)結(jié)果 %

2.3 凍脹量試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)中獲得的溫度垂向分布數(shù)據(jù)，整理獲取典型時(shí)段襯砌結(jié)構(gòu)的最大凍脹量，結(jié)果如表3所示。由表3中的數(shù)據(jù)可以看出，渠道襯砌的凍脹量隨著試驗(yàn)的進(jìn)行呈現(xiàn)出先減小后增大并逐漸趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)，原因是施工完成之后基土存在一定的沉降變形，之后逐漸產(chǎn)生凍脹變形。從不同方案的對(duì)比來看，換填方案較不換填方案5明顯減小。從12月30日的試驗(yàn)結(jié)果來看，方案1、方案2、方案3、方案4較不換填方案5分別減小了約29.7%、40.7%、45.9%和43.0%。由此可見，進(jìn)行砂卵石基土換填可以對(duì)凍脹量產(chǎn)生明顯的控制作用，有效防止渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞。從不同的換填方案對(duì)比來看，方案3的凍脹量最小，說明該方案對(duì)控制襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞最為有利。

表3 不同方案的襯砌結(jié)構(gòu)最大凍脹量試驗(yàn)結(jié)果 mm

3 結(jié) 論

此次研究通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方式，探討了砂卵石換填對(duì)渠道襯砌抗凍脹效果的影響，獲得的主要結(jié)論如下：

(1)砂卵石換填有助于減小渠道基土的凍深，砂卵石的粒徑在6～8 cm時(shí)的凍深最淺。

(2)砂卵石換填有助于減小渠道基土換填層濕度，砂卵石的粒徑在6～8 cm時(shí)的換填層濕度最小。

(3)砂卵石基土換填可以對(duì)凍脹量產(chǎn)生明顯的控制作用，方案3對(duì)控制襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞最為有利。

(4)綜上，砂卵石換填可以顯著提高渠道襯砌抗凍脹性能，且砂卵石的粒徑在6～8 cm時(shí)的效果最佳。