引水渠道冬季土層溫度及位移變化研究

劉玉杰

（甘肅水務(wù)清水供水有限責(zé)任公司，甘肅 清水 741400）

我國在20世紀(jì)60年代開展了大規(guī)模的渠道防凍脹工程建設(shè)，重點(diǎn)對(duì)大型灌區(qū)干渠和支渠等固定渠道進(jìn)行了有計(jì)劃防凍脹設(shè)計(jì)、建設(shè)，特別在北方凍土層較厚的灌區(qū)優(yōu)先展開[1]，主要采用砂礫石換填、渠床壓實(shí)、混凝土或者漿砌石防滲處理[2]，近年來，隨著聚乙烯土工膜、復(fù)合防滲膜（復(fù)合土工膜）等膜材料利用的興起，對(duì)減小渠道防凍脹工程造價(jià)，提高防滲效果明顯。但在季節(jié)性凍土地區(qū)，由于渠道老化、工程質(zhì)量問題等造成滲漏的渠道都不同程度存在凍脹破壞的現(xiàn)象[3-4]。

我國對(duì)于渠道凍脹理論的發(fā)展，在20世紀(jì)初期逐漸發(fā)展起來，李金玉等[5]發(fā)現(xiàn)影響混凝土襯砌渠道的主要因素有混凝土強(qiáng)度、地下水位深度、渠道輸水制度、當(dāng)?shù)貧夂驐l件等。劉鴻緒等[6]探討了凍脹力的定量關(guān)系，對(duì)其在區(qū)域尺度上進(jìn)行擴(kuò)展，得到不同利用特征下的轉(zhuǎn)換關(guān)系。楊成松等[7]探索了渠道土壤含水量、地溫以及渠道土壤的機(jī)械組成和容重等對(duì)渠道凍融破壞的關(guān)系，通過主成分分析法對(duì)其主要的影響因素進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)。本研究通過探討外界溫度與渠底溫度的關(guān)系以及渠道凍脹位移變化，為灌區(qū)渠道襯砌工程防凍脹設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，用于指導(dǎo)工程實(shí)踐，使灌區(qū)凍脹破壞在一定程度上得到有效緩解，使工程發(fā)揮盡可能大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 材料與方法

渠道防滲層依次為C20混凝土預(yù)制+砂礫石墊層和C20預(yù)制混凝土+聚苯乙烯保溫板（對(duì)比段渠道總長不少于50 m，觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)在其中段）。在渠道邊坡的上部（75%L處，其中渠邊坡長為L）、中部（50%L處）、下部（25%L處）及渠底（渠中心線處）布設(shè)變形觀測(cè)點(diǎn)，在渠底中線上按照0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～80 cm處分段布置不同深度的地溫觀測(cè)點(diǎn)，用溫度傳感器測(cè)溫。觀測(cè)時(shí)段為2021年1月16日開始，2021年到3月28日結(jié)束。

2 結(jié)果與分析

2.1 外界溫度與渠底觀測(cè)點(diǎn)位的溫度關(guān)系

從圖1來看，外界氣溫的變化是引起渠底土壤溫度變化的主要原因，在渠底不同深度地溫隨外界溫度變化不盡一致。深度越小，渠道底部溫度變化隨著氣溫變化越劇烈，渠底20 cm以內(nèi)深度土壤溫度隨著氣溫變化其變化幅度為0.5～4.8 ℃，而渠底20～40 cm以內(nèi)深度該范圍為1.2～3.8 ℃，40～60 cm深度土壤溫度變化幅度更小，為1.5～3.6 ℃，而深度為60～80 cm的渠底溫度，受氣溫變化影響較小，整體溫度一直保持在3 ℃左右，說明氣溫對(duì)渠底80 cm以下土層溫度的影響有限。總體來看，渠道底部溫度均為零上，不會(huì)發(fā)生凍結(jié)，可以抵御一定的凍脹破壞，對(duì)渠道穩(wěn)定有利，可以根據(jù)氣溫影響深度，采取不同的物理、化學(xué)等措施，進(jìn)一步提高渠道的抗凍穩(wěn)定性。

圖1 渠底不同深度土壤溫度與外界溫度的關(guān)系

從表1可以看出外界溫度既有零上正積溫，也有零下負(fù)積溫，表現(xiàn)為有正有負(fù)，從觀測(cè)時(shí)間來看，累計(jì)正積溫大于負(fù)積溫，累計(jì)正積溫為397.5 ℃，凈積溫為137.5 ℃，而渠道底部溫度均為正積溫，渠底深度為0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～80 cm累計(jì)正積溫分別為142.3 ℃、166 ℃、192.6 ℃、227 ℃，隨著深度的增加，累計(jì)正積溫也逐漸增加，最大的為渠底60～80 cm，其分別較0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm大15.15%、26.87%、37.31%，而渠底各層累計(jì)負(fù)積溫均為0 ℃，說明渠道底部各土層溫度均大于0℃，不會(huì)形成冰層。

表1 外界溫度積溫及觀測(cè)點(diǎn)位積溫統(tǒng)計(jì)表（80 d）

2.2 渠底溫度隨時(shí)間變化

圖2為渠道不同位置不同土層處土壤溫度隨時(shí)間變化情況，從圖中可以看出，總體變化趨勢(shì)相似，表層40 cm以上地溫變化較為劇烈，60 cm為分界線，變化最小，分析其形成原因，主要與土壤含水率有關(guān)，水的比熱容較大，溫度變幅較小。但從圖2來看，整個(gè)觀測(cè)期，不同位置處各層土壤的正負(fù)積溫相差較大，外界溫度在試驗(yàn)觀測(cè)期內(nèi)累計(jì)正積溫397.5 ℃，負(fù)積溫-260 ℃，而其渠道不同位置各層土壤間積溫不同，且相差較大，分析其主要原因與土壤含水率有關(guān)，受水分影響較大。

圖2 渠底不同位置地溫隨時(shí)間變化情況

2.3 渠道凍脹位移變化

從圖3可以看出，在3月7日之前，也就是外界氣溫低于0 ℃時(shí)，渠道在凍脹作用下，均處于抬升狀態(tài)，從觀測(cè)時(shí)間1月16日開始，隨著時(shí)間的推移，渠底位移處于波動(dòng)、下降的狀態(tài)，最大抬升出現(xiàn)在1月26日，最大抬升量為7.2 mm，其次出現(xiàn)在2月5日附近，抬升量為6.4 mm，出現(xiàn)這種趨勢(shì)，可能是跟大氣溫度有關(guān)，溫度升高，渠底凍結(jié)水發(fā)生變化，渠底抬升值減小，反之，渠底抬升值增加。而在3月7日之后，渠道底部垂直位移變?yōu)樨?fù)值，表明渠底發(fā)生了沉降，說明在天氣回暖，氣溫大于0 ℃時(shí)，渠底部開始化凍，水 由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)，體積減小，導(dǎo)致渠底出現(xiàn)沉降。

圖3 渠道不同部位凍脹位移情況

從渠道水平位移圖可以看出，不同部位隨著時(shí)間的推移水平方向上位移變化差異較大，越靠近渠堤，當(dāng)氣溫變化時(shí)，水平位移越大，渠堤處最大位移可以達(dá)到50 mm以上，其次是0.75 L處（L為邊坡長度），最大位移也可達(dá)到25 mm，再次為0.5 L處，水平位移最大為15 mm，最小為0.25 L處，在氣溫發(fā)生變化，水平方向上的最大位移為10 mm左右?？梢?，距離渠底水平直線距離越大，在凍融作用下水平方向發(fā)生的位移越大，這可能和水平位移累加有關(guān)，在距離渠底水平距離較近的位置，水平方向發(fā)生位移的推移距離較小，在距離渠底水平距離較遠(yuǎn)的位置，水平方向發(fā)生位移的推移距離較大。另外，隨著時(shí)間的推移，各處水平方向的位移也出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，渠堤處波動(dòng)范圍為-11～51 ℃，0.75 L處波動(dòng)范圍為-8.2～25 ℃，0.5 L處波動(dòng)范圍為-2～15 ℃，0.25 L處波動(dòng)范圍為-20～10 ℃，這和日氣溫有關(guān)，氣溫上升，土壤水分由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，各處水平方向位移減小，反之，各處水平方向位移增加。

3 結(jié)論與討論

距離渠底深度越小，土壤溫度隨著氣溫變化越劇烈，渠底20 cm以內(nèi)深度土壤溫度隨著氣溫變化其變化幅度最大，為0.5～4.8 ℃，且渠道下部土層溫度均為正積溫。在3月7日之前，渠道在凍脹作用下，均處于抬升狀態(tài)隨著時(shí)間的推移，渠底位移處于波動(dòng)、下降的狀態(tài)，最大抬升量為7.2 mm；另外，越靠近渠堤，當(dāng)氣溫變化時(shí)，水平位移越大，渠堤處最大位移可以達(dá)到50 mm以上。渠道基土凍脹發(fā)生變形后，當(dāng)氣溫回升，土壤消融時(shí)又逐漸回沉，有的凍脹變形可能完全復(fù)原，或僅有少量沉陷，有的變形較大，不能完全復(fù)原，而剩余一部分變形量，剩余凍脹量是指經(jīng)過一個(gè)凍融周期后，襯砌渠道未完全回復(fù)，所發(fā)生的變化量。其值的大小是直接反映渠道襯砌工程的破壞程度，同時(shí)也是反應(yīng)不同襯砌材料、形式對(duì)凍脹變形的適應(yīng)性。如果凍脹變形在消融期能完全回復(fù)或變形量甚微，則襯砌結(jié)構(gòu)是安全的；否則，襯砌變形可能會(huì)逐年加重，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)是很不利的。