不同粒徑碎石填料渠基凍結(jié)試驗(yàn)研究

滕簫嶼

(遼寧白石水利水電建筑工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

渠道可以解決我國(guó)水量空間分布不均的情況，新中國(guó)成立以來(lái)，我國(guó)規(guī)劃建設(shè)了許多渠道設(shè)施。但是在北方以及一些高海拔地區(qū)，由于地基氣溫普遍偏低，在凍融循環(huán)作用下易發(fā)生凍脹破壞，不僅造成渠道供水能力減弱，而且由于渠道滲漏導(dǎo)致渠基土含水率增大，會(huì)進(jìn)一步加劇渠基的凍脹變形，嚴(yán)重影響渠道等輸水工程的使用壽命，大大增加了維修成本，如何有效抑制渠基的凍脹變形成為當(dāng)前水利界的一大熱點(diǎn)[1-4]。

渠道凍脹破壞的發(fā)生與渠基水分場(chǎng)密切相關(guān)，在含水率較高的渠道基礎(chǔ)地區(qū)凍脹破壞尤為劇烈，這主要是由于水分在渠基中進(jìn)行遷移導(dǎo)致“鍋蓋效應(yīng)”的發(fā)生[5-10]。要解決此類(lèi)問(wèn)題，最好的辦法就是對(duì)渠基進(jìn)行碎石換填，碎石層具有“熱半導(dǎo)體”效應(yīng)，可以充分利用基礎(chǔ)底部的溫度，減小基礎(chǔ)凍深，從而改善基礎(chǔ)的凍脹破壞，碎石級(jí)配基礎(chǔ)在公路、鐵路工程中已經(jīng)得到了充分論證和應(yīng)用[11-14]，但是在水利工程中應(yīng)用還比較鮮見(jiàn)，相關(guān)的研究也比較少。因此，本文對(duì)粉質(zhì)黏土渠基和不同粒徑碎石填料渠基進(jìn)行了單向凍結(jié)試驗(yàn)，以期能為碎石換填技術(shù)在水利渠道工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

渠基土：粉質(zhì)黏土，干密度為1.8g/cm3，濕密度為2.05g/cm3，含水率大小為14.6%，粒徑為0.075～1.25mm。

碎石填料：大理巖碎石，按照等效球粒徑將碎石劃分為：0.45、1.0、1.5和1.85cm 4種等效粒徑，通過(guò)灌水法對(duì)4種等效粒徑的碎石填料進(jìn)行空隙率測(cè)試，結(jié)果測(cè)得空隙率分別為：46.3%、44.5%、42.1%和43.2%。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用單向凍結(jié)試驗(yàn)裝置，該裝置包括試驗(yàn)桶(高度10cm)系統(tǒng)、溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)、水分補(bǔ)給系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)4部分組成，溫度傳感器的精度為0.01℃，水分傳感器精度為0.1%VWC，濕度傳感器測(cè)量范圍為0～100%RH，壓力傳感器測(cè)量精度為0.1mL。試驗(yàn)初始溫度為15℃，頂部溫度為-15℃，底部溫度為5℃，環(huán)境溫度為5℃，凍結(jié)試驗(yàn)過(guò)程中采用水分補(bǔ)給系統(tǒng)對(duì)進(jìn)行補(bǔ)水操作。試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案 單位:℃

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

(1)將取回的渠基粉質(zhì)黏土進(jìn)行翻曬、碾壓、篩分，確保土樣無(wú)結(jié)塊，將碎石進(jìn)行烘干。

(2)按照14.7%的含水率將土攪拌均勻并用塑料密封靜置2d。

(3)在試驗(yàn)桶下鋪設(shè)濾紙，防止土顆粒或者碎石雜質(zhì)堵塞補(bǔ)水孔，然后分層填入黏土或碎石。

(4)安裝溫度、濕度、水分、壓力等傳感器。

(5)開(kāi)啟恒溫箱(試驗(yàn)箱上下溫度導(dǎo)板均為15℃)并設(shè)置為15℃，保持恒溫9h，確保試驗(yàn)對(duì)象均處于15℃的初始溫度。

(6)將試驗(yàn)箱上部溫度導(dǎo)板調(diào)節(jié)為-15℃，下部溫度導(dǎo)板調(diào)節(jié)為5℃，并將恒溫箱溫度調(diào)節(jié)為5℃，開(kāi)始進(jìn)行凍結(jié)試驗(yàn)，凍結(jié)試驗(yàn)過(guò)程中每隔一定時(shí)間采集補(bǔ)水量、濕度和溫度等參數(shù)，凍結(jié)試驗(yàn)時(shí)間為20h。

(7)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 補(bǔ)水量分析

試驗(yàn)得到的不同實(shí)驗(yàn)組補(bǔ)水量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 補(bǔ)水量變化曲線

由圖1可知,隨著凍結(jié)試驗(yàn)時(shí)間的不斷增加，各實(shí)驗(yàn)組渠基填料的補(bǔ)水量呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，在0～6h內(nèi)補(bǔ)水量快速增大，6～20h補(bǔ)水量近似呈線性緩慢增加；對(duì)于黏土渠基，由于剛開(kāi)始實(shí)驗(yàn)室溫度變化速率較快，土樣內(nèi)部的水分發(fā)生相變，孔隙水在降溫過(guò)程中凝結(jié)成冰，隨著時(shí)間的推移，凍結(jié)鋒面也隨之移動(dòng)，導(dǎo)致土樣下部的水分向上部遷移，下部水分遷移之后需要進(jìn)行補(bǔ)充，因此從補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)入的補(bǔ)水量在凍結(jié)初期會(huì)快速增大；當(dāng)凍結(jié)鋒面推移到一定程度后會(huì)逐漸穩(wěn)定下來(lái)，同時(shí)在凍結(jié)鋒面處形成的冰晶會(huì)堵塞部分水分遷移通道，因此水分遷移的整體速率就會(huì)放緩，因而后期補(bǔ)水量增長(zhǎng)緩慢；對(duì)于碎石渠基填料，由于在試驗(yàn)初期將碎石進(jìn)行了烘干處理，因此試驗(yàn)碎石填料的初始含水率很低，當(dāng)碎石處于補(bǔ)水環(huán)境中后，會(huì)快速吸收周?chē)乃郑瑢?dǎo)致試驗(yàn)箱中的濕度降低，補(bǔ)水系統(tǒng)就會(huì)快速給試驗(yàn)箱中補(bǔ)給水分，當(dāng)試驗(yàn)箱中的環(huán)境濕度達(dá)到飽和或者穩(wěn)定之后，水分補(bǔ)給速率就會(huì)逐漸降低。凍結(jié)試驗(yàn)時(shí)間相同時(shí)，碎石渠基的補(bǔ)水量明顯小于黏土渠基的補(bǔ)水量，碎石填料粒徑越大，補(bǔ)水量越小，這是因?yàn)樗槭w粒粒徑越大，其比表面積越小，水分吸收和蒸散發(fā)能力也相對(duì)越弱，因此補(bǔ)水系統(tǒng)對(duì)于試樣的水量補(bǔ)給月最小。

2.2 濕度變化分析

試驗(yàn)得到的濕度變化特征曲線如圖2所示。

圖2 濕度變化曲線

由圖2(a)可知，隨著凍結(jié)試驗(yàn)的進(jìn)行，不同高度處的渠基濕度表現(xiàn)出不同的變化特征，處于試驗(yàn)下層(0.5m)的渠基填料，在試驗(yàn)0.2h后，濕度就快速達(dá)到100%，這是因?yàn)橄聦犹盍想x補(bǔ)水口最近，當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)水處理后，下層土樣中的空氣會(huì)最先達(dá)到水分飽和；試驗(yàn)中層(3.5和6.5m)和上層(9.5m)的渠基填料，濕度呈“上升-下降-上升-穩(wěn)定”的變化特征，這是因?yàn)樵谠谠囼?yàn)初期，空氣中的水分會(huì)快速進(jìn)入濕度傳感器的探頭，因而濕度快速升高，當(dāng)濕度探頭中的濕度與空氣初始濕度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)達(dá)到曲線的拐點(diǎn)，隨著凍結(jié)試驗(yàn)的進(jìn)行，空氣中水分凝結(jié)成冰，濕度降低，補(bǔ)水系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)土樣補(bǔ)水，但水分從下層上升到上層需要一定時(shí)間，因而濕度由下降轉(zhuǎn)為上升的時(shí)間有一定滯后，越靠上層，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)越滯后，當(dāng)空氣中濕度達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定后，補(bǔ)水過(guò)程也隨之變緩，濕度也基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖2(b)可知，黏土渠基在各個(gè)高度的濕度均保持在98%～100%，表明黏土渠基中的水汽遷移作用比較明顯；而對(duì)于碎石填料，隨著高度的增加，凍結(jié)20h后的空氣濕度也越低，凍結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，試樣最上部(9.5cm)的濕度分別為55%、55%、45%和52%，由此可見(jiàn)，當(dāng)碎石等效粒徑為1.5cm時(shí)，能夠顯著減少碎石填料渠基中的水分向上遷移的情況，可以在最大程度上減輕水分遷移帶來(lái)的“鍋蓋效應(yīng)”，從而降低渠道凍脹破壞發(fā)生的概率。

2.3 溫度變化分析

試驗(yàn)得到的溫度變化特征曲線如圖3所示。

圖3 溫度變化曲線

由圖3(a)可知，在凍結(jié)試驗(yàn)初期，試樣不同高度處的溫度基本在15℃左右徘徊，凍結(jié)試驗(yàn)進(jìn)行1h后，各層溫度顯著降低，并表現(xiàn)為中間溫度高，兩端溫度低的特征，上層和底層溫度接近5℃，中部溫度在10℃左右;當(dāng)凍結(jié)試驗(yàn)進(jìn)行2h后，上部溫度下降至-3℃左右，而下部溫度依然維持在5℃左右，中部溫度則降低至5.5℃，當(dāng)凍結(jié)試驗(yàn)進(jìn)行8～20h后，溫度由上而下依次遞增，最上層土樣溫度降低至-7℃，中層溫度下降至1.85℃，下部結(jié)構(gòu)維持在5℃左右。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：黏土渠基降溫總時(shí)間為9.5h，而S2-S4試驗(yàn)組的降溫時(shí)間分別為6.2、6.3、5.1和6.5h，這是因?yàn)轲ね恋拿軐?shí)度和水分含量較高，土體降溫以熱傳導(dǎo)為主，因而所需時(shí)間較長(zhǎng)，碎石渠基的孔隙率遠(yuǎn)大于黏土，不僅有熱傳導(dǎo)作用，空隙中的空氣對(duì)流也會(huì)對(duì)溫度產(chǎn)生影響，因此溫度下降速度更快。

由圖3(b)中可知：在補(bǔ)水條件下，溫度隨著試樣由上而下逐漸升高，黏土渠基上部的溫度下降比較明顯，溫度低至-11.5℃，下部溫度為4℃，碎石填料渠基的上部溫度相差較小，分別為-6.5、-5.8、-5和-4.9℃，下部溫度則均為5℃；4組碎石填料中，0℃所對(duì)應(yīng)的高度基本沒(méi)有變化，因此對(duì)于地下水充足的北方寒區(qū)，在冬季采用碎石填料對(duì)渠基進(jìn)行換填，能夠改善渠基的溫度場(chǎng)，從而防止渠道在冬季發(fā)生凍脹破壞。

3 結(jié)語(yǔ)

采用室內(nèi)單向凍結(jié)試驗(yàn)方法，對(duì)粉質(zhì)黏土渠基和不同粒徑碎石填料渠基的凍脹破壞規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比研究，得出如下結(jié)論。

(1)隨著凍結(jié)試驗(yàn)的進(jìn)行，補(bǔ)水量呈兩階段增加趨勢(shì)，第一階段增長(zhǎng)速率較快，第二階段增長(zhǎng)速率變緩；相同凍結(jié)試驗(yàn)下，黏土的補(bǔ)水量大于碎石填料，碎石粒徑越大，補(bǔ)水量越小。

(2)底部土樣的濕度要高于上部土樣的濕度，當(dāng)碎石填料等效粒徑為1.5cm時(shí)，對(duì)水分遷移帶來(lái)的“鍋蓋效應(yīng)”的減輕效果最好。

(3)碎石填料溫度下降時(shí)間明顯小于黏土的溫度下降時(shí)間，碎石填料上部和中部結(jié)構(gòu)的溫度明顯高于黏土；采用碎石填料對(duì)渠基進(jìn)行換填，能夠改善渠基的溫度場(chǎng)，防止渠道在冬季發(fā)生凍脹破壞。

(4)本文僅針對(duì)同一粒徑填料進(jìn)行凍結(jié)試驗(yàn)，但實(shí)際情況是碎石粒徑并不均勻，這兒將在以后做進(jìn)一步補(bǔ)充研究。