HDPE與混凝土襯砌板復(fù)合襯砌渠道抗凍脹性能試驗(yàn)研究

季 偉

(濱州市引黃灌溉服務(wù)中心，山東 濱州 256600)

0 引言

水資源是人類賴以生存的重要資源，對(duì)人類生存和經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮著不可或缺的重要意義和作用[1]。我國水資源分布存在嚴(yán)重的時(shí)空不均現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇了現(xiàn)代社會(huì)背景下水資源的供需矛盾。我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)一直是水資源消耗大戶，而農(nóng)業(yè)用水效率低下不僅造成水資源的極大浪費(fèi)，同時(shí)也成為制約我國北方缺水地區(qū)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素[2]。在這一背景下，優(yōu)化和改進(jìn)節(jié)水灌溉系統(tǒng)具有十分重要的價(jià)值和作用。在農(nóng)田水利工程建設(shè)中，小型農(nóng)渠采用裝配式渠道襯砌具有投資水平低、施工效率高、后期維護(hù)整修方便等顯著優(yōu)勢(shì)，因此在具體工程實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，并成為農(nóng)業(yè)節(jié)水研究的重要方向[3]。受到我國地理位置和氣候因素的影響，超過半數(shù)地區(qū)的冬季氣溫在0℃以下，農(nóng)田渠道在冬季低溫期會(huì)面臨凍融作用的影響。特別是北方寒區(qū)，冬季時(shí)間相對(duì)較長，渠道在經(jīng)過冬春凍融循環(huán)后襯砌結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生凍脹破壞，不僅會(huì)影響農(nóng)田水利工程的耐久性，還會(huì)造成水資源的浪費(fèi)[4]。因此，改善裝配式小型渠道凍脹現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)灌溉用水的節(jié)約就成為亟待解決的問題。

目前，灌溉渠道裝配式襯砌一般采用混凝土材料制成，而混凝土材料具有抗壓強(qiáng)度大、抗拉能力弱，在凍融循環(huán)作用下?lián)p傷較大的問題，且破壞后不易修復(fù)。針對(duì)這一問題，部分地區(qū)采用玻璃鋼和PE(聚乙烯)等彈塑性材料修建襯砌渠道[5]。聚乙烯是乙烯經(jīng)過聚合反應(yīng)得到的產(chǎn)物，具有機(jī)械性能良好、制作成型難度低、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，在生產(chǎn)和生活中有廣泛的應(yīng)用。目前，已有將高密度聚乙烯(HDPE)用于渠道襯砌工程的案例。結(jié)果顯示，HDPE襯砌渠道有助于減輕基土凍脹力且不會(huì)發(fā)生斷裂破壞，顯示出良好的防滲抗凍脹效果。但是，HDPE襯砌渠道也有其不足之處，主要是襯砌結(jié)構(gòu)厚度小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，約束加固問題比較突出，一旦處理不當(dāng)就會(huì)造成整體大位移變形，導(dǎo)致渠道破壞?；诖耍醒芯刻岢鲈谇郎喜坎捎觅|(zhì)量較大的混凝土襯砌板、下部采用具有良好抗凍脹性能的HDPE材料，并顯示出良好的應(yīng)用前景[6]。此次研究利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式，探討HDPE與混凝土襯砌板復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)凍脹變形的影響，以便為相關(guān)工程應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

此次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的試驗(yàn)區(qū)為山東地區(qū)某灌區(qū)的3#支渠092號(hào)斗渠，試驗(yàn)區(qū)以玉米種植為主，每年需要利用渠道灌溉3～5次。試驗(yàn)區(qū)屬于中溫帶大陸性半干旱氣候，年平均氣溫為10.3℃，極端最高和最低氣溫分別為37.8、-39.5℃。年均降雨量為385mm，主要集中于6—9月份，一般占全年降水總量的7成左右。冬季土壤凍結(jié)深度0.9m，最大凍深1.3m，一般在11月中旬開始凍結(jié)，次年4月初開始解凍，凍結(jié)時(shí)間為125～140d。試驗(yàn)區(qū)的土壤主要是普通灌淤土，多為中到輕壤土，孔隙度52.1%，容重1.5g/cm3。試驗(yàn)區(qū)的地下水主要是第四系松散沉積物孔隙水，主要通過潛水蒸發(fā)和水平排泄。

1.2 試驗(yàn)段條件

此次試驗(yàn)選擇的是092號(hào)斗渠斗口以南50～120m部位，試驗(yàn)段總長120m。該段渠道襯砌建成于2013年，經(jīng)過多年運(yùn)行之后破壞情況比較嚴(yán)重，因此灌區(qū)決定拆除重建，并在建設(shè)中采用HDPE與混凝土襯砌板復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)。根據(jù)工程勘查和初步設(shè)計(jì)資料，該渠道的地下水埋深為2.5～3.2m，設(shè)計(jì)流量為1.29m3/s；渠道底部圓弧半徑為0.8m，渠道坡降為1/1200～1/1500，渠坡傾角為20°，渠深為1.2m，渠道口寬為2.0m。

1.3 試驗(yàn)方案

結(jié)合復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)理論，認(rèn)為對(duì)灌溉渠道襯砌凍脹量影響較大的襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)為HDPE厚度、混凝土襯砌板厚度、混凝土襯砌板長度以及混凝土標(biāo)號(hào)[7]。結(jié)合數(shù)值模型背景工程的實(shí)際情況，設(shè)置玻璃鋼厚度3、4、5、6、7、8mm；設(shè)置混凝土襯砌板厚度為30、40、50、60、70、80mm；設(shè)置混凝土襯砌板長度為50、55、60、65、70、75cm；設(shè)置C25、C30、C35、C40、C45共5種不同的混凝土等級(jí)水平進(jìn)行試驗(yàn)。為了減少試驗(yàn)工作量，試驗(yàn)中采用固定3個(gè)變量的方式，研究第4個(gè)變量對(duì)渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹量的影響。具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)參數(shù)

1.4 試驗(yàn)方法

為了避免不同試驗(yàn)方案之間的相互影響，試驗(yàn)中每種方案的試驗(yàn)長度為5m，并在各試驗(yàn)段的中間斷面部位進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)研究的目的和內(nèi)容，確定試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的主要襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹變形。

凍脹量的監(jiān)測(cè)采用鋼絲法，其具體過程為：①先鉆孔埋設(shè)好鋼筋樁和保護(hù)管，在埋設(shè)過程中保證牢固，以保護(hù)管和渠道襯砌結(jié)構(gòu)變形的同步性，而鋼筋樁不隨凍脹作用變形。②在鋼筋樁距離監(jiān)測(cè)表面的一定高度刻槽并拉設(shè)鋼絲，然后在監(jiān)測(cè)表面設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。③結(jié)合渠道走向以及渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹變形的特點(diǎn)，在監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，分別是底部中間(點(diǎn)位1)、渠坡靠近底部1/3處(點(diǎn)位2)、靠近頂部1/3處(點(diǎn)位3)、渠頂(點(diǎn)位4)。在試驗(yàn)過程中做好數(shù)據(jù)記錄，試驗(yàn)結(jié)束后通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和對(duì)比分析獲得不同因素對(duì)襯砌凍脹變形的影響。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 HDPE厚度

研究中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取混凝土襯砌板厚度為50mm、長度為60cm、混凝土等級(jí)為C35條件下不同HDPE厚度方案的渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹量，結(jié)果如圖1所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出：在HDPE厚度相同的情況下，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的凍脹量差異比較顯著。其中，凍脹量最大的為點(diǎn)位3，其次是點(diǎn)位2和點(diǎn)位4，點(diǎn)位1的凍脹量最小，由此可見，HDPE襯砌結(jié)構(gòu)的深度較大，且整體性較好，對(duì)凍脹量的控制比較有利。混凝土襯砌板和HDPE襯砌結(jié)構(gòu)的交界部位的凍脹量最大，是復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在施工設(shè)計(jì)和建設(shè)中需要予以更多的關(guān)注。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位凍脹量隨著HDPE厚度的增加呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點(diǎn)，但是減小的速率也不斷變小。具體來看，當(dāng)HDPE厚度小于5mm時(shí)，凍脹量的減小幅度較大，大于5mm時(shí)的減小幅度較為有限。鑒于HDPE的成本相對(duì)較高，綜合考慮成本和抗凍脹效果，建議采用厚度為5mm的HDPE。

圖1 凍脹量隨玻璃鋼厚度變化曲線

2.2 混凝土襯砌板長度

研究中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取HDPE厚度為5mm、混凝土襯砌板厚度為50mm、混凝土等級(jí)為C35條件下不同混凝土襯砌板長度方案的渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹量，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，不同混凝土襯砌板的長度方案的凍脹量存在顯著差異，說明混凝土襯砌板長度也是渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹量的重要影響因素，需要在工程設(shè)計(jì)建設(shè)中予以考慮?？傮w來看，各點(diǎn)位的凍脹量隨著襯砌板長度的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的變化特點(diǎn)。由此可見，過長或過短的混凝土襯砌板的長度都不利于凍脹量的控制。究其原因，長度過短時(shí)混凝土襯砌板的質(zhì)量過小，不利于發(fā)揮其壓重作用；長度過長則導(dǎo)致下部HDPE結(jié)構(gòu)深度過小，不利于發(fā)揮其良好的抗凍脹性能。從具體的試驗(yàn)結(jié)果來看，襯砌板的長度為65cm時(shí)的復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹量最小，應(yīng)為混凝土襯砌板的最佳長度。

圖2 凍脹量隨混凝土襯砌板長度變化曲線

2.3 混凝土襯砌板厚度

研究中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取HDPE厚度為5mm、混凝土襯砌板長度為65cm、混凝土等級(jí)為C35條件下不同混凝土襯砌板厚度方案的渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹量，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，隨著混凝土襯砌板厚度的增加，各點(diǎn)位的凍脹量均呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點(diǎn)，同時(shí)減小的速率也不斷減小。具體來看，當(dāng)混凝土襯砌板的厚度小于60mm時(shí)，凍脹量的減小幅度較大，當(dāng)混凝土襯砌板的厚度大于60mm時(shí)，凍脹量的減小幅度有限。綜合額考慮工程的經(jīng)濟(jì)性和抗凍脹性能，建議采用60mm的混凝土襯砌板厚度。

圖3 凍脹量隨混凝土襯砌板厚度變化曲線

2.4 混凝土強(qiáng)度等級(jí)

研究中根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取HDPE厚度為5mm、混凝土襯砌板長度為65cm、混凝土襯砌板厚度60mm條件下不同混凝土等級(jí)方案的渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹量，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹量呈現(xiàn)出不斷減小的變化趨勢(shì)。由此可見，提高襯砌板混凝土的強(qiáng)度等級(jí)有利于控制渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹量。另一方面，不同混凝土等級(jí)條件下各點(diǎn)位的凍脹量變化量相對(duì)較小，說明混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)凍脹量的影響不大，不是凍脹量的主要因素。顯然，大幅提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)并不能獲得顯著的凍脹量控制效果，但是工程成本將顯著提高。當(dāng)然，過小的混凝土強(qiáng)度等級(jí)也會(huì)影響工程質(zhì)量和耐久性方面的問題。因此，在工程設(shè)計(jì)中仍推薦采用水利工程中常用的C30混凝土。

圖4 凍脹量隨襯砌板混凝土強(qiáng)度等級(jí)變化曲線

3 結(jié)語

在寒區(qū)輸水渠道工程運(yùn)行過程中，凍脹破壞會(huì)嚴(yán)重影響輸水渠道的質(zhì)量和耐久性。針對(duì)這一問題，文章提出上部采用混凝土襯砌板，下部采用玻璃鋼的復(fù)合渠道襯砌結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以有效發(fā)揮混凝土和玻璃鋼材料的優(yōu)勢(shì)，提升襯砌結(jié)構(gòu)的抗凍脹性能，可以為襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新的思路和方向。同時(shí)，文章還利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并提出最佳設(shè)計(jì)方案，可以為背景工程施工提供一定的指導(dǎo)。受到諸多因素的制約，文章僅探討了襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，而渠道凍脹變形破壞還和渠道的截面形狀存在密切關(guān)系，在今后的研究中需要在這方面進(jìn)行進(jìn)一步的探索和分析，以便獲得更為科學(xué)和全面的結(jié)論。