北引干渠邊坡防凍脹襯砌結(jié)構(gòu)研究

?？〉?，汪恩良

（1．黑龍江省水利科學(xué)研究院，哈爾濱 150080；2．黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)工程凍土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150078；3．東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑學(xué)院，哈爾濱 150030）

0 引 言

北部引嫩工程地處高緯度寒冷地區(qū)，是黑龍江省西部關(guān)系到國計(jì)民生的重點(diǎn)工程。近年來，北引渠道的凍脹破壞強(qiáng)烈，渠道淤積嚴(yán)重，輸水能力降低23%～46%，嚴(yán)重影響了工程效益的發(fā)揮。解決北引渠道的襯砌破壞問題，實(shí)現(xiàn)標(biāo)本兼治，對寒區(qū)渠道襯砌破壞的原因，以及國內(nèi)外治理成果的經(jīng)驗(yàn)成果進(jìn)行系統(tǒng)梳理。廖云［1］認(rèn)為在我國寒區(qū)混凝土渠道破壞主要表現(xiàn)為凍脹破壞。張伯平［2］認(rèn)為寒區(qū)的渠道襯砌體破壞的原因主要是水分入滲和長歷時凍結(jié)造成的。張釗［3］通過數(shù)值計(jì)算，得出渠底和渠坡下部襯砌體所受凍脹應(yīng)力最大，凍脹應(yīng)力隨深度呈衰減趨勢，同時提出，若使襯砌體完全不發(fā)生位移，不能用剛性襯砌約束凍脹變形。為了解決渠道襯砌的凍害問題，許多工程技術(shù)人員圍繞渠道形式以及水、土、溫度等影響凍土的基本因素，開展了廣泛的試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐。朱清華［4］發(fā)現(xiàn)凍脹一般多發(fā)生在渠坡1／2～1／3。朱達(dá)夫［5］提出了按照凍脹分類以及渠道襯砌防凍脹措施；李安國［6］、宋保卿［7］開展了不同斷面形式渠道抗凍脹特性的研究，朱強(qiáng)［8－9］、趙碧雄［10］開展了用非凍脹材料換基的研究；程滿金［11］、馮友亭［12］開展了保溫基礎(chǔ)的研究。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，新材料在解決渠道襯砌凍害中的應(yīng)用成為了新的寵兒，葛樹東［13］全面評價了PP纖維混凝土板、土工格室混凝土板、三維土工植被網(wǎng)護(hù)坡、細(xì)砂混凝土板和愷甲式纖維混凝土板等渠道防凍脹的措施及其存在問題。本文結(jié)合北引擴(kuò)建工程中干渠凍脹性土分布區(qū)防凍脹襯砌結(jié)構(gòu)的需求，就新出現(xiàn)的混凝土連鎖板、雷諾護(hù)墊、加筋麥克墊等材料的應(yīng)用效果開展試驗(yàn)研究，旨在為北引干渠邊坡襯砌工程的凍害問題提供解決方案。

1 試驗(yàn)段概況

本次選擇的試驗(yàn)段位于北部引嫩總干渠烏北段，樁號為17＋000～17＋125，該段位于嫩江灘地上，為南北走向的半挖半填渠道，地理位置見圖1，該段屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷漫長，春季多風(fēng)干燥，夏季濕熱降雨集中，秋季降溫快歷時短，形成冷熱懸殊、干濕不均、四季分布變化較快等氣候特點(diǎn)。全年結(jié)凍期長達(dá)180d，冬季氣溫常在－30°～ －40°。

圖1 北引干渠17km試驗(yàn)段位置示意圖Fig．1 Location map of pilot projects in Beiyin main channel

北引干渠17km試驗(yàn)段，建成于2012年4月，共設(shè)4個試驗(yàn)方案，即混凝土連鎖板方案、雷諾護(hù)墊方案、加筋麥克墊方案和混凝土預(yù)制板對比方案，渠道頂寬6．0m，底寬32．0m，渠深5．2m，邊坡1∶3．0，土壤質(zhì)地為低液限黏土，具有較強(qiáng)凍脹性。地下水封凍前埋深1．1～1．4m，較渠底低0．6m。

2 襯砌方案設(shè)計(jì)

2．1 邊坡穩(wěn)定分析

采用瑞典圓弧條分法分析渠坡的穩(wěn)定性，計(jì)算原理見圖2，并按照簡化有效應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中R為圓弧半徑；b為分土條的寬度，一般取b＝R／t，t為分土條數(shù)，一般取t為10、20、30；θi為第i條土條底面中心處切線與水平線的夾角；ωi為第i條土條自重，kN；bi和hi分別為第i條土條的寬度與平均高度；Dh（Dv）為某個土條的水平 （垂直）地震力總和，按文獻(xiàn) ［4］計(jì)算；c、φ為土的強(qiáng)度指標(biāo)；Mci為第i條土條水平向地震慣性力Dh對圓心的矩。

應(yīng)用遺傳算法求解邊坡穩(wěn)定的最小安全系數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，北引渠道的邊坡設(shè)定為1∶2．5～1∶3能夠滿足穩(wěn)定要求。

圖2 瑞典圓弧條分法計(jì)算原理圖Fig．2 Calculation diagram of Sweden circle method

2．2 襯砌方案

圍繞 “允許一定凍脹位移量”、“回避、適應(yīng)凍脹”、“出現(xiàn)不均勻凍脹變形后，護(hù)坡整體結(jié)構(gòu)保持完整”的設(shè)計(jì)原則，結(jié)合北引渠道的特點(diǎn)，本次將近年來新出現(xiàn)的混凝土連鎖板、雷諾護(hù)墊、加筋麥克墊結(jié)構(gòu)和格賓網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)應(yīng)用于北引渠道襯砌工程中，各設(shè)計(jì)方案見圖3。

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Fig．3 Scheme of canal linings

3 觀測結(jié)果與分析

3．1 氣溫觀測結(jié)果與分析

本次委托管理站進(jìn)行了現(xiàn)場氣溫觀測，氣溫測量時段為2012年10月8日～2012年4月16日，采用人工記錄逐日最高溫度和最低溫度，日平均氣溫采用日最高溫度和最低溫度的平均值，日平均溫度曲線見圖4。

根據(jù)日平均溫度測量結(jié)果，試驗(yàn)段土體的凍結(jié)期為10月28日～次年的4月14日，凍結(jié)期共持續(xù)174d，計(jì)算凍結(jié)指數(shù)為2 753．2℃·d，年度最低氣溫－41．6℃。

圖4 日平均溫度曲線Fig．4 Daily mean temperature curve

3．2 變形觀測結(jié)果與分析

從2012年10月8日～2013年5月26日，共進(jìn)行了9次變形觀測，變形觀測使用賓得R100系列全站儀。測點(diǎn)布置見圖5，變形觀測結(jié)果見圖6～圖9。圖5中測點(diǎn)6為固腳，但在第二次測量時，渠道內(nèi)有積水30cm，測量周期內(nèi)固腳一直泡在水中，故沒有測量；另外，該年度渠坡上積雪較厚，厚度為25～70cm。

圖5 變形測點(diǎn)布置圖Fig．5 Arrangement of survey points

圖6 混凝土連鎖板變形測量結(jié)果Fig．6 Deformation of concrete interlocking block

圖7 雷諾護(hù)墊變形測量結(jié)果Fig．7 Deformation of Reno mattresses

由圖5～圖9可見：

1）各結(jié)構(gòu)在第三次觀測前，都出現(xiàn)了沉降，沉降量≤3．0mm，此時土體剛剛進(jìn)入凍結(jié)期，沉降變形主要是土體固結(jié)和凍縮引起的。

圖8 麥克墊變形測量結(jié)果Fig．8 Deformation of Mac－Mat

圖9 預(yù)制混凝土板對比段變形測量結(jié)果Fig．9 Deformation of precast concrete panel

2）各結(jié)構(gòu)最大凍脹變形都發(fā)生在測點(diǎn)4，即靠近坡長的1／3處，這符合渠坡凍脹的一般規(guī)律。各結(jié)構(gòu)最大凍脹變形量分別為加筋麥克墊結(jié)構(gòu)的18．1cm，其次是雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)15．8cm，再次是混凝土連鎖板13．9cm和預(yù)制混凝土板結(jié)構(gòu)12．2cm，各結(jié)構(gòu)凍脹變形的關(guān)系說明，透氣性結(jié)構(gòu) （不設(shè)防滲層）不能起到減小凍深的作用，反而會增大凍深。

3）試驗(yàn)段內(nèi)各結(jié)構(gòu)均沒有出現(xiàn)明顯的變形破壞，但在試驗(yàn)段外100m左右 （16＋900）預(yù)制混凝土板結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大范圍的不均勻凍脹變形，導(dǎo)致預(yù)制混凝土板結(jié)構(gòu)的整體性受到破壞，見圖10，在渠坡這樣以變形破壞為主的結(jié)構(gòu)中，柔性結(jié)構(gòu)可以很好的適應(yīng)凍脹變形，同時結(jié)構(gòu)應(yīng)具有牢固的整體性，以保證基土發(fā)生不均勻凍脹時，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)整體性破壞。

圖10 16＋900附近不均勻凍脹引起預(yù)制混凝土板破壞Fig．1 0 Precast concrete panel'destroying caused by uneven frost heaving at stake number 16＋900

4）各結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)了殘余變形，殘余變形表現(xiàn)出凍脹量越大殘余變形越大的規(guī)律，其中加筋麥克墊的殘余變形為4．0cm，其它各結(jié)構(gòu)的殘余變形為1．7～2．2cm。各結(jié)構(gòu)變形回復(fù)率比較結(jié)果表明，在凍脹變形小的位置，變形容易恢復(fù)，回復(fù)率可以達(dá)到90%；但對于變形較大的位置，回復(fù)率只能達(dá)到80%，整體來看，預(yù)制混凝土板結(jié)構(gòu)回復(fù)能力最好 （在不發(fā)生不均勻凍脹的條件下），混凝土鉸接塊和雷諾護(hù)墊次之，加筋麥克墊結(jié)構(gòu)回復(fù)能力最差，但16＋900位置的破壞說明，預(yù)制板結(jié)構(gòu)在發(fā)生較大的不均勻凍脹變形時，容易引起板與板間的錯位，造成整體性破壞。

4 結(jié) 論

1）3種柔性結(jié)構(gòu) （混凝土鉸接塊、雷諾護(hù)墊和加筋麥克墊），都實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，即可有效地適應(yīng)不均勻凍脹變形。在發(fā)生不均勻凍脹時，護(hù)坡結(jié)構(gòu)的整體性不被破壞，現(xiàn)場觀測到預(yù)制混凝土板護(hù)坡結(jié)構(gòu)在不均勻凍脹變形條件下，出現(xiàn)了整體性破壞的現(xiàn)象，說明在北引渠道凍脹土分布集中地區(qū)可使用具有柔性且整體性好的護(hù)坡結(jié)構(gòu)。

2）用透水的土工布代替不透水的復(fù)合土工膜，并不能起到減小凍深的作用，但可有效地降低工程造價。通過區(qū)域地質(zhì)的分析，該段有21km區(qū)段為強(qiáng)透水段，占到烏北段總長度 （78．7km）的26．1%，其余渠段為微透水區(qū)，滲透系數(shù)為10－5～10－6，在透水區(qū)段建議設(shè)計(jì)復(fù)合土工膜防滲層，其它區(qū)段可使用土工布。

綜上所述，建議在北引凍脹土分布區(qū)段采用雷諾護(hù)墊護(hù)坡結(jié)構(gòu)和混凝土連鎖板結(jié)構(gòu)。

［1］廖 云，劉建軍，陳少峰．混凝土渠道凍脹破壞機(jī)制與抗凍技術(shù)研究進(jìn)展 ［J］．巖土力學(xué)，2008，29（增刊）：211－214．

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［3］張 釗，吳紫汪．渠道基土凍結(jié)時溫度場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬 ［J］．冰川凍土，1993，15 （2）：331－338．

［4］朱清華．甘肅金塔縣混凝土襯砌渠道防凍脹措施 ［J］．冰川凍土，1986，8 （3）：309－312．

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［12］馮友亭．寧夏灌區(qū)渠道襯砌工程防凍脹試驗(yàn)研究［D］．西安：西安理工大學(xué)，2003．

［13］葛樹東．季節(jié)凍土區(qū)渠道防滲結(jié)構(gòu)型式研究 ［D］．南京：河海大學(xué)，2004．