灌區(qū)U形混凝土襯砌渠道凍脹分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(1.澇坡水利服務(wù)中心，山東 莒南 276600;2.日照市水利局，山東 日照 276800)

我國水資源豐富，但人均占有量少，水資源空間分布不均，為了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的更好發(fā)展，需要投入大量的人力物力進行農(nóng)田水利建設(shè)，近些年來，國家加快推進大中型灌區(qū)續(xù)建配套和灌排設(shè)施的更新改造，加強灌區(qū)渠系的輸水效率和田間工程配套成為當前各個地區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-3]。

渠道防滲襯砌是減少灌區(qū)輸水損失、提高供水效率、防沖固坡、有效控制地下水位的重要農(nóng)田水利工程措施，在發(fā)展節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的重要作用。然而，由于北方地區(qū)常年受干濕和凍融交替循環(huán)的影響，渠道襯砌的凍脹破壞普遍存在，灌區(qū)渠道滲漏損失一直十分嚴重，制約著灌區(qū)農(nóng)田水利配套設(shè)施建設(shè)以及灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。U形渠道是當前農(nóng)田水利設(shè)施中較為常見的一種渠道結(jié)構(gòu)型式，按照目前常用的組合形式，又可分為整體式U形混凝土襯砌渠道、兩拼式U形混凝土襯砌渠道以及多拼式U形混凝土襯砌渠道[4-7]。為了對不同U形混凝土襯砌渠道凍脹變形規(guī)律有直觀了解，首先設(shè)計了整體式、兩拼式和三拼式U形混凝土襯砌渠道的凍脹試驗，并以試驗結(jié)果為導(dǎo)向，對U形混凝土襯砌渠道進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以期能為臨沂市其他渠道工程建設(shè)提供借鑒。

1 工程背景

陡山水庫灌區(qū)渠道總長36.46km(一干渠長23.96km、二干渠長12.5km)。一干渠23.96km襯砌渠道破損較為明顯，有渠堤坍垮，經(jīng)常有滲漏現(xiàn)象的渠道長度6.66km，目前可正常運行的渠道長度不足17.3km，渠道完好率為72%。二干渠12.5km襯砌渠道破損較為明顯，有渠堤坍垮，經(jīng)常有滲漏現(xiàn)象的渠道長度6.026km，目前可正常運行的渠道長度不足6.474km，渠道完好率為51.79%。故決定對灌區(qū)渠道進行改造施工。該地區(qū)常用的渠道斷面型式為U形，由于分時分段招標，在設(shè)計和施工過程中，U形渠道結(jié)構(gòu)又分為整體式、兩拼式或者多拼式。渠道斷面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 U形渠道斷面示意圖(單位：cm)

2 凍脹變形監(jiān)測結(jié)果

試驗監(jiān)測時間為2019年11月—2020年3月，共歷時105天，選取每種U形渠道結(jié)構(gòu)典型斷面進行原位監(jiān)測，左右對稱分別布置5個監(jiān)測點，監(jiān)測該段時間內(nèi)渠道的凍脹變形量(見圖2)。

圖2 監(jiān)測點布置示意圖

2.1 凍脹變形分析

從不同類型U形混凝土襯砌渠道的凍脹變形監(jiān)測結(jié)果中(見圖3)可看到：在三種U形渠道中，整體式的橫向和縱向平均凍脹量較小，分別為0.348mm和0.556mm，兩拼式的橫向和縱向平均凍脹量較大，分別為0.55mm和0.825mm，多拼式的橫向和縱向平均凍脹量最大，分別為0.787mm和0.969mm，兩拼式和多拼式U形渠道的凍脹破壞變形要比整體式渠道凍脹破壞變形嚴重；同時，由凍脹位移變化量可知：整體式U形渠道的凍脹變形比較均勻，沒有發(fā)生較大的凍脹位移差，而兩拼式和多拼式U形渠道的不均勻變形比較嚴重，凍脹位移差較大，這就很可能導(dǎo)致兩種型式的U形渠道發(fā)生不均勻凍脹破壞，且發(fā)生凍脹破壞的位置大多數(shù)位于板縫或者板縫兩側(cè)。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

由現(xiàn)場試驗監(jiān)測結(jié)果可知：對于裝配式U形混凝土襯砌渠道，板縫越多，越容易發(fā)生不均勻的凍脹變形，保持裝配式U形結(jié)構(gòu)良好的完整性是減少渠道發(fā)生凍脹破壞的主要措施。因此，在對裝配式U形混凝土襯砌渠道進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，應(yīng)重點考慮以下三方面：?應(yīng)適當提高U形渠道板縫處混凝土的抗彎拉強度，提升整體的抗凍脹性能；?應(yīng)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增大襯砌板跨度，適當減少板縫數(shù)量，增強襯砌渠道的整體性；?在提升渠道凍脹性能的基礎(chǔ)上，保證襯砌渠道的防滲性和經(jīng)濟實用性。

圖3 凍脹變形試驗監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要目的是通過增大襯砌板跨度，盡量減少板縫數(shù)量，且采用無縫襯砌的概念，從而增強渠道結(jié)構(gòu)的整體性，提高其綜合抗凍脹破壞性能。但是，增大U形襯砌渠道的跨度就會增大裝配式襯砌板的尺寸規(guī)模，導(dǎo)致襯砌板體積變大，由于混凝土襯砌板是預(yù)制板，且底板又是弧形板，這就給U形混凝土襯砌板的運輸、存儲、安裝帶來極大的不便，反而會增加施工困難，對工程造價不利。因此，為了兼顧抗凍脹性能和施工方便，在設(shè)計過程中，首先對大跨度的U形襯砌板進行分塊處理(在橫向上將其劃分為若干部分)，然后利用柔性榫接方式將各個分塊連接成一個整體，從而保證渠道的完整性[8-12]。

榫接相對于傳統(tǒng)連接形式具有如下優(yōu)勢：?榫接結(jié)構(gòu)將榫槽設(shè)置成U形突出結(jié)構(gòu)，突出結(jié)構(gòu)既可以當作混凝土襯砌板的縱向肋梁，又可以增強混凝土襯砌板的縱向抗彎能力；?榫接結(jié)構(gòu)一般設(shè)置在混凝土襯砌板的最大彎矩截面處，大大增加了最大彎矩截面處的自由度，這樣既可以降低混凝土襯砌板的內(nèi)部彎矩，改善內(nèi)力環(huán)境，又可以實現(xiàn)變形的自我調(diào)節(jié)功能，使得構(gòu)造在融沉變形過程中可抵消凍脹變形[13-16]。

榫接結(jié)構(gòu)由榫槽和榫頭兩部分組成，為了減小應(yīng)力集中，保證良好的反拱和承載能力，榫槽底部設(shè)計為U形，榫槽尺寸應(yīng)大于榫頭尺寸1～2cm，為了確保榫頭和榫槽間的縫隙不滲漏，還需要在兩者之間設(shè)置防水層和黏結(jié)措施(水泥砂漿)，防水層材料選取氯丁橡膠密封膠，防水層和水泥砂漿的厚度設(shè)計為1cm；由于渠道混凝土強度等級設(shè)計為C20，脆性較大，故而榫頭尺寸不宜過高或者過窄，具體尺寸應(yīng)根據(jù)不同尺寸的U形渠道斷面進行選取，渠道C20混凝土厚度設(shè)計為4cm。榫接結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 榫接結(jié)構(gòu)示意圖

由于傳統(tǒng)U形混凝土襯砌板的跨度一般為0.5m，板縫的寬度一般為0.1m，在試驗過程中取縱向6塊襯砌板進行監(jiān)測，因此，無板縫試驗段的襯砌板跨度可取3.2～3.6m，也可將此作為本文設(shè)計的裝配式U形混凝土襯砌渠道的襯砌板跨度，襯砌板接縫采用PIN新型材料。為了保證渠道兩側(cè)受力的均勻性，將渠道設(shè)計為裝配三拼式，三拼式由兩個直線段和一個圓弧段底板組成，榫接結(jié)構(gòu)位于距離渠底1/3渠深處。優(yōu)化設(shè)計過后的渠道斷面見圖5。

4 使用效果評估

4.1 凍脹性能

選擇試驗段同樣斷面位置的10個監(jiān)測點作為研究對象，對裝配式U形三拼榫接混凝土渠道的橫向和縱向凍脹變形進行監(jiān)測，結(jié)果見圖6。從圖6中可以看到：采用裝配式U形三拼榫接混凝土渠道結(jié)構(gòu)后，橫向和縱向凍脹變形均比較均勻，發(fā)生不均勻凍脹變形破壞的概率大大降低，橫向平均凍脹量為0.181mm，縱向平均凍脹量為0.521mm，較原有渠道凍脹變形量有較大幅度降低，表明本文設(shè)計的裝配式三拼U形榫接混凝土渠道具有更好的抗凍脹性能。

4.2 防滲性能

由于本文設(shè)計的裝配式U形三拼榫接混凝土渠道能夠增大混凝土襯砌板的自由度，改善內(nèi)力分布，從而可減少凍脹開裂和破壞的發(fā)生，滲漏裂縫較原有渠道結(jié)構(gòu)有較大幅度降低，同時榫槽和榫頭縫隙采用了防水層，能夠最大程度上減小縫隙造成的水頭損失，從而保證改進后的渠道具有良好的抗?jié)B性能。

4.3 實用及經(jīng)濟性

以3.5m作為比較長度，對本文設(shè)計的裝配式U形三拼榫接混凝土襯砌渠道與傳統(tǒng)整體式U形混凝土襯砌渠道的實用性和經(jīng)濟性作對比分析，結(jié)果見表1。從表1中可以看到：相比傳統(tǒng)整體式U形渠道，裝配式U形三拼榫接渠道使用的混凝土方量更少，混凝土減少用量約15%，按340元/m3的混凝土成本計，裝配式U形三拼榫接渠道每3.5m長即可節(jié)省工程投資30元。裝配式U形三拼榫接渠道還擁有良好的抗凍脹性能和防滲性能，降低了后期的維護成本，簡化了安裝步驟，在施工過程中僅需要小型機械吊裝安裝，極大地加快了施工速度，運輸過程中可將其拆分為3部分，方便運輸?shù)耐瑫r，還不易發(fā)生斷裂，減少運輸過程中的經(jīng)濟損失，因而值得在實際工程中予以應(yīng)用。

表1 兩種U形渠道實用性和經(jīng)濟性對比

5 結(jié) 論

本文以灌區(qū)改造工程為例，對U形混凝土襯砌渠道結(jié)構(gòu)凍脹變形規(guī)律進行了監(jiān)測分析，并提出采用榫接結(jié)構(gòu)連接的裝配式U形混凝土襯砌渠道，通過分析認為：該結(jié)構(gòu)型式的U形渠道不僅能夠保證渠道襯砌體的整體性，提高渠道的抗凍脹和抗?jié)B能力，還能較傳統(tǒng)整體式U形渠道減少混凝土用量約15%，既方便了運輸和施工過程，還具有良好的工程經(jīng)濟性。研究成果可為類似灌區(qū)渠道工程建設(shè)與改造提供新的設(shè)計思路和方案。