灌區(qū)田間渠系水工建筑物循環(huán)凍脹機(jī)理試驗(yàn)探究

陳金波,何修亮

(黑龍江省水利監(jiān)督保障中心,哈爾濱 150001)

0 前 言

三江平原灌區(qū)田間配套工程是貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記重要指示批示精神的重大舉措,是通過工程換水實(shí)現(xiàn)三江平原地表水與地下水采補(bǔ)平衡的根本措施,也是落實(shí)藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略,全面提升三江平原糧食產(chǎn)能的重要保障。三江平原灌區(qū)田間配套工程位于黑龍江省三江平原腹地,橫跨黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)。黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)水利工程建設(shè)開發(fā),柔軟土地基部位的換填土施工應(yīng)用較廣泛,較多出現(xiàn)了土體固結(jié)下沉、凍脹損壞的相對問題。高分子聚合物輕質(zhì)混合土在結(jié)構(gòu)體減重、降低側(cè)壁土體壓應(yīng)力的穩(wěn)定優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的關(guān)注,顆粒輕質(zhì)混合土的特點(diǎn)為輕量性,還兼具其流動(dòng)性、自然硬性、均質(zhì)化性、較易加工等特點(diǎn),文章在預(yù)防凍脹問題的研究從而使顆粒輕質(zhì)混合土在巖土工程中的拓展和利用方面有著積極的意義。高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土中,原料黏土取自青龍山灌區(qū)田間配套支渠堤壩。由低液限黏土、粉煤灰、減水外加劑、硅酸鹽水泥、水、高分子聚合物顆粒按選定比例混合,經(jīng)攪拌機(jī)械翻拌成混合料。這種混合料具有密度比小,熱效率傳導(dǎo)慢,熱效阻隔強(qiáng)和保溫效果優(yōu)等特點(diǎn)。為了深入探究預(yù)防凍脹破壞成因成效,拓展預(yù)制混凝土矩型槽在渠道應(yīng)用條件,利用模擬凍融循環(huán)模型,對顆粒輕質(zhì)土的保溫效能及預(yù)防凍脹破壞進(jìn)行實(shí)測和論證,為顆粒混合輕質(zhì)土在三江平原季節(jié)冰凍地區(qū)的典型推廣確定理論依據(jù)和使用方法,使灌區(qū)田間配套渠系水工建筑物在季節(jié)凍脹區(qū)的凍脹損壞降至最低。

1 結(jié)構(gòu)體模型試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過在室內(nèi)低溫梯度模型試驗(yàn),比較結(jié)構(gòu)體底板在不同摻量顆粒輕質(zhì)土的混凝土矩型槽渠道在凍融空間域下的溫差梯度場、凍脹量程區(qū)間變化(顆粒輕質(zhì)土摻量比例為2%,3%,4%)。確定凍脹損壞對預(yù)制混凝土矩型槽渠道溫差梯度場及凍脹損失邊界定量,并對矩型槽渠道在反復(fù)凍脹條件下,其結(jié)構(gòu)耐久性進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析和堅(jiān)固性定量對比量測。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)具體觀測內(nèi)容:①用溫差梯度場監(jiān)測模型土體內(nèi)部溫差梯度場;②用凍脹量程監(jiān)測模型土體的凍脹量程變化。

1.3 試驗(yàn)裝置及設(shè)備

本次試驗(yàn)將在黑龍江省季節(jié)凍土區(qū)工程凍土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2#低溫試驗(yàn)室進(jìn)行。室內(nèi)模型試驗(yàn)箱體尺寸(長×寬×高)5.0m×3.5m×2.0m。測試數(shù)據(jù)采集設(shè)備是選用Datataker智能可編程數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng),本系統(tǒng)可同時(shí)具備7個(gè)數(shù)字通道、10～30個(gè)傳感器通道,同步采集系列數(shù)據(jù)。米科系列溫度巡檢儀、安捷倫PT200溫度傳感器、北京環(huán)宇T系列自回復(fù)直線位移傳感器。

1.4 試驗(yàn)土料

1.4.1 混合料試驗(yàn)用土

試驗(yàn)所用擾動(dòng)土取自木蘭香磨山灌區(qū)續(xù)建配套工程渠系建筑物凍脹損壞試驗(yàn)段現(xiàn)場,試驗(yàn)用土主要物理力學(xué)指標(biāo),見表1。試驗(yàn)土樣按水利部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)土料物理性能的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)用土主要物理力學(xué)指標(biāo)

1.4.2 高分子聚合物顆粒

試驗(yàn)采用高分子聚合物顆粒,直徑在2～4mm之間,堆積密度0.024g/cm3

1.4.3 固化劑

采用425普通硅酸鹽水泥為輕質(zhì)土的凝固劑。

1.4.4 外加劑

丙烯酸脂共聚乳液、SB-10引氣劑、木質(zhì)素磺酸鹽減水劑。

1.4.5 試驗(yàn)投料比

高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土配合比,見表2。

表2 高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土配合比

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)用傳感器

1)數(shù)據(jù)采集裝置:Datataker智能可編程數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)。

2)溫度傳感器:米科系列溫度巡檢儀、安捷倫PT200溫度傳感器

3)位移傳感器:北京環(huán)宇T系列自回復(fù)直線位移傳感器。

2.2 模型比尺選擇

本結(jié)構(gòu)模型采用線性回歸方程比尺為控制比尺,選定的構(gòu)架比尺為Bl=1∶10。

據(jù)此,模型試驗(yàn)的相似構(gòu)架比尺設(shè)計(jì)如下:

1)時(shí)間比尺為Bτ=Bl2=100。

2)溫度比尺為Bt=1。

3)濕度比尺為Bω=1。

2.3 相似條件的實(shí)現(xiàn)

模型箱結(jié)構(gòu)凈尺寸:5.0m×3.5m×2.0m。

試驗(yàn)方案模擬一個(gè)凍融過程中溫差梯度、凍深、凍脹量程等的變化區(qū)間。為保證土體溫度場與野外實(shí)際工況有近似的相關(guān)性,將試驗(yàn)土體地表溫度控制在-18～5℃,試驗(yàn)環(huán)境溫度控制在-28～18℃。另外,在升溫融化階段利用控制柜對環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)控外,還對模型箱體底板區(qū)域溫差進(jìn)行控制,在近似天然工況下,凍結(jié)土層中的土體溫度場,實(shí)現(xiàn)雙向融化。根據(jù)野外凍土場地區(qū)溫度觀測結(jié)果,底板區(qū)域溫度控制在10±1℃[2]。

2.4 模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)傳感器布置方案所需傳感器種類及數(shù)量。所需傳感器數(shù)量:①溫度傳感器:50個(gè);②位移傳感器:5個(gè)。

模型試驗(yàn)量測儀器及設(shè)備主要包括溫度、變形。溫度觀測采用米科系列溫度巡檢儀、安捷倫PT200溫度傳感器,凍脹變形觀測采用北京環(huán)宇T系列自回復(fù)直線位移傳感器。數(shù)據(jù)采集使用溫度巡檢儀和Datataker智能可編程數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)。

3 試驗(yàn)過程控制

3.1 架構(gòu)模型制作

1)備好試驗(yàn)用粉質(zhì)土料,室內(nèi)模型試驗(yàn)箱體尺寸5.0m×3.5m×2.0m(長×寬×高)在試驗(yàn)箱內(nèi)分層填筑符合控制密度的試驗(yàn)段粉質(zhì)黏土,每一層填筑后記錄各層填筑土密度及含水率等數(shù)據(jù),在第一層典型位置埋設(shè)溫度和位移傳感器,并記錄各類傳感器初始值。

2)本架構(gòu)模型采用類比試驗(yàn)手段,模型分為四種配比的土體結(jié)構(gòu)形式。第一結(jié)構(gòu)槽為模擬原狀土體,第二、三、四結(jié)構(gòu)槽填筑不同密度的高分子聚合物顆粒土,混凝土矩型架構(gòu)槽的外型尺寸:2.0m×0.3m×0.3m。填筑厚度20cm,開挖備用。

3)按配比將粉質(zhì)黏土、水泥、水、三種摻量的高分子聚合物顆粒、外加劑混合翻拌成相應(yīng)密度的高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土。依次填筑平整到第二、三、四結(jié)構(gòu)槽作為保溫墊層,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d,在其上鋪裝混凝土矩型槽。槽身兩側(cè)用級配良好砂填充整平,在兩側(cè)打孔埋設(shè)溫度及傳感器。

4)對結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)裝置進(jìn)行飽水處理。

5)四種架構(gòu)模型模擬土體充分滲水飽和,將模擬試驗(yàn)室室內(nèi)溫度標(biāo)定為恒溫狀態(tài),使模型土結(jié)構(gòu)體內(nèi)范圍溫度達(dá)到10℃左右時(shí),開啟降溫準(zhǔn)備。

3.2 溫度傳感器設(shè)置

3.2.1 傳感器雨填埋設(shè)置

對需要埋入的各個(gè)傳感器進(jìn)行統(tǒng)一編號,注明其位置及類型。然后,按設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谙鄳?yīng)位置埋設(shè)對應(yīng)的傳感器,用數(shù)據(jù)采集儀記錄各傳感器的初始值,以及施工過程各參數(shù)的變化。

3.2.2 傳感器的連接與調(diào)試

傳感器埋入土體的相應(yīng)位置后,及時(shí)在數(shù)據(jù)采集儀的相應(yīng)通道上連接傳感器,并在傳感器接線端貼上標(biāo)簽,編號與埋設(shè)傳感器時(shí)注明的編號一致。傳感器連接好后,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,查看數(shù)據(jù)采集情況并記錄初始值,如數(shù)據(jù)顯示不正常(如發(fā)生溢出等情況),則根據(jù)問題的類型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,待調(diào)試完成后再進(jìn)行下一工序。

3.3 結(jié)構(gòu)模型飽水和補(bǔ)水

3.3.1 模型飽水

模型結(jié)構(gòu)制作完成的高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土墊層需要保溫養(yǎng)護(hù)28d,并對模型試驗(yàn)箱進(jìn)行飽和水處理,使試驗(yàn)土體達(dá)到飽和狀態(tài),其飽和度按土體的飽和含水量進(jìn)行控制。

3.3.2 模型補(bǔ)水

利用模型試驗(yàn)裝置的補(bǔ)水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)土體進(jìn)行補(bǔ)水要求。為模擬開敞式凍結(jié)條件的試驗(yàn)進(jìn)行期間,一直進(jìn)行補(bǔ)水,補(bǔ)水水位觀測通過補(bǔ)水箱的水位尺進(jìn)行控制。

4 溫度過程控制方案

4.1 試驗(yàn)降溫過程設(shè)計(jì)方案

模型架構(gòu)采用以凍深為主的降溫過程漸變方案,模擬初始凍結(jié)到全部融化的歷時(shí)過程,四種配比土體全部融化后的階段,將不再參考模擬。根據(jù)哈爾濱實(shí)測資料,平均凍結(jié)期為210d,歷年最大凍深2.0m。由時(shí)間比尺Bt=16.7 ,線性回歸方程比尺Bl=5 ,溫度比尺Bτ=1.5,確定模型試驗(yàn)進(jìn)行12d(283h),確定最大凍深為60cm[1]。

試驗(yàn)空間溫度控制歷程按4個(gè)時(shí)段進(jìn)行,每個(gè)時(shí)段溫度控制歷程如下[2]:

1)降溫持續(xù)時(shí)段:時(shí)間0～65h,試驗(yàn)用時(shí)65h,空間溫度2～-28℃;

2)低溫保持時(shí)段:時(shí)間65～120h,試驗(yàn)用時(shí)55h,空間溫度保持-25℃;

3)升溫持續(xù)時(shí)段:時(shí)間120～230h,試驗(yàn)用時(shí)110h,空間溫度-25～25℃;

4)保持恒高溫到完全融化時(shí)段:時(shí)間230～285h,試驗(yàn)歷時(shí)55h,空間溫度保持25℃。

5 抗凍脹模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

5.1 土體溫度場變化過程分析

5.1.1 1#不摻高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土墊層

開始降溫試驗(yàn)前,對結(jié)構(gòu)模型周邊區(qū)域初始溫度進(jìn)行收集,記錄溫度為7.6℃。經(jīng)對試驗(yàn)環(huán)境空間進(jìn)行降溫階段,環(huán)境溫度至-28℃,在恒溫階段至環(huán)境溫度穩(wěn)定到最大凍深溫度-25℃,此時(shí)對結(jié)構(gòu)模型周邊區(qū)域溫度進(jìn)行收集,記錄溫度為-19℃,經(jīng)對移位傳感器數(shù)據(jù)收集顯示,矩型槽結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)5cm左右隆起變形。待數(shù)據(jù)采集完成后,開始升溫試驗(yàn)階段,升溫過程溫度梯度量程達(dá)50℃,從-25～25℃,從恒高溫至結(jié)構(gòu)模型周邊土體完全融化階段,環(huán)境溫度保持在25℃時(shí),觀察結(jié)構(gòu)模型周邊土體呈顯出多條縱向貫通裂縫深度達(dá)60cm。在本次模擬天然環(huán)境空間凍融循環(huán)試驗(yàn)過程,從觀測數(shù)據(jù)和表觀狀況,矩型槽結(jié)構(gòu)模型存在明顯的凍脹損壞。

5.1.2 2#摻2%高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土墊層

降溫試驗(yàn)前,對結(jié)構(gòu)模型周邊區(qū)域初始溫度進(jìn)行收集,記錄溫度為7.9℃。經(jīng)對試驗(yàn)環(huán)境空間進(jìn)行降溫階段,環(huán)境溫度至-28℃,在恒溫階段至環(huán)境溫度穩(wěn)定到最大凍深溫度-25℃時(shí),對結(jié)構(gòu)模型周邊區(qū)域溫度進(jìn)行收集,記錄墊層以下土體周邊區(qū)域溫度-17℃,墊層以上土體周邊區(qū)域溫度-7℃。經(jīng)對移位傳感器數(shù)據(jù)收集顯示,U型槽結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)3cm左右隆起變形。待數(shù)據(jù)采集完成后,開始升溫試驗(yàn)階段,升溫過程溫度梯度量程達(dá)50℃,從-25～25℃,從恒高溫至結(jié)構(gòu)模型周邊土體完全融化階段,環(huán)境溫度保持在25℃,此時(shí)觀察結(jié)構(gòu)模型周邊土體也呈顯出多條縱向貫通裂縫深度達(dá)43cm,裂縫深度較原無配比墊層縮小17cm。在模擬天然環(huán)境空間凍融循環(huán)試驗(yàn)過程,從觀測數(shù)據(jù)和表觀狀況,矩型槽結(jié)構(gòu)模型也程現(xiàn)出凍脹損壞[3]。

5.1.3 3#摻3%高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土墊層

降溫試驗(yàn)前,對結(jié)構(gòu)模型周邊區(qū)域初始溫度進(jìn)行收集,記錄溫度為7.4℃。經(jīng)對試驗(yàn)環(huán)境空間進(jìn)行降溫階段,環(huán)境溫度至-28℃,在恒溫階段至環(huán)境溫度穩(wěn)定到最大凍深溫度-25℃時(shí),對結(jié)構(gòu)模型周邊區(qū)域溫度進(jìn)行收集,記錄墊層以下土體周邊區(qū)域溫度-14℃,墊層以上土體周邊區(qū)域溫度-1℃。再對移位傳感器數(shù)據(jù)收集顯示,結(jié)構(gòu)模型矩型槽出現(xiàn)隆起0.5cm左右。待數(shù)據(jù)采集完成后,開始升溫試驗(yàn)階段,升溫過程溫度梯度達(dá)50℃,從-25～25℃,從恒高溫至結(jié)構(gòu)模型周邊土體完全融化階段,環(huán)境溫度保持在25℃,此時(shí)觀察結(jié)構(gòu)模型周邊土體呈顯出多條縱向貫通裂縫深度達(dá)18cm,裂縫深度較原無配比墊層縮小32cm。經(jīng)本次模擬天然環(huán)境空間凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中觀測數(shù)據(jù)和表觀狀況得出,結(jié)構(gòu)模型凍脹損壞程度較前兩個(gè)配比有明顯減小。

5.1.4 4#摻4%高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土墊層

降溫試驗(yàn)前,對結(jié)構(gòu)模型周邊區(qū)域初始溫度進(jìn)行收集,記錄溫度為7.0℃。經(jīng)對試驗(yàn)環(huán)境空間進(jìn)行降溫階段,環(huán)境溫度至-28℃,在恒溫階段至環(huán)境溫度穩(wěn)定到最大凍深溫度-25℃時(shí),對結(jié)構(gòu)模型周邊區(qū)域溫度進(jìn)行收集,記錄墊層以下土體周邊區(qū)域溫度-10℃,墊層以上土體周邊區(qū)域溫度5℃。經(jīng)對移位傳感器數(shù)據(jù)收集顯示,矩型槽結(jié)構(gòu)模型未出現(xiàn)隆起變形。待數(shù)據(jù)采集完成后,開始升溫試驗(yàn)階段,升溫過程溫度梯度達(dá)50℃,從-25～25℃,從恒高溫至結(jié)構(gòu)模型周邊土體完全融化階段,環(huán)境溫度保持在25℃,此時(shí)觀察結(jié)構(gòu)模型周邊土體還是呈顯出多條縱向貫通裂縫深度達(dá)6cm,裂縫深度較原無配比墊層縮小54cm。本次模擬天然環(huán)境空間凍融循環(huán)試驗(yàn)過程中觀測數(shù)據(jù)和表觀狀況看,矩型槽結(jié)構(gòu)模型基本未出現(xiàn)凍脹損壞現(xiàn)象。

5.2 凍脹量、最大凍深分布的分析

不同摻量高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土模型試驗(yàn)凍脹量統(tǒng)計(jì)表,見表3;不同摻量高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土模型試驗(yàn)最大凍深統(tǒng)計(jì)表,見表4。

表3 不同摻量高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土模型試驗(yàn)凍脹量統(tǒng)計(jì)表

表4 不同摻量高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土模型試驗(yàn)最大凍深統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié) 論

1)模擬空間環(huán)境試驗(yàn)過程中,使溫度差變化梯度場布局總體達(dá)到土體單向分布凍結(jié)、法向分布融化的季節(jié)凍土區(qū)基礎(chǔ)土體的凍融循環(huán)變化規(guī)律。歷經(jīng)凍融循環(huán)時(shí)空分布后,架構(gòu)模型模擬溫度差變化梯度場分布均勻,沒有形成溫度區(qū)間夾層,促使架構(gòu)熱量在土體內(nèi)部空間傳遞效率均勻。

2)結(jié)合高分子聚合物顆粒不同配比摻量的遞增,模型架構(gòu)體的凍脹程度和凍結(jié)深度逐漸降低,摻入量遞增后,凍脹程度和凍結(jié)深度的邊界削減也同步遞增,其中摻比量4% 的顆粒輕質(zhì)土對凍脹程度邊界消減率達(dá)90%,凍深邊界削減率達(dá)44%,表現(xiàn)出高分子聚合物顆粒摻入量遞增后,達(dá)到架構(gòu)土體凍脹程度、凍結(jié)深度邊界削減效果有顯著提高。

3)低溫模型架構(gòu)試驗(yàn)有效總結(jié)出4種密度的高分子聚合物顆粒輕質(zhì)土墊層對混凝土矩型槽渠道起到了相應(yīng)程度的溫差效能,可以有效抵御渠系基礎(chǔ)土體凍脹邊界變化對混凝土矩型槽渠道建筑物使用功能的凍脹損壞。