新疆瑪納斯河灌區混凝土渠道凍漲破壞機理分析

□駱 蘭（新疆維吾爾自治區水利廳瑪管處）

引言

隨著灌區的續改建工程的深入實施，我國大部分灌區的渠道實現了混凝土防滲處理，渠系水利用系數逐年提高，多數灌區受季節氣溫變化影響，存在著嚴重的凍漲破壞現象，新疆瑪納斯河灌區由于水資源供需矛盾突出，亟須提高渠道輸水效率，防凍漲破壞是防滲渠發揮防滲作用的重要保證。因此，灌區發展農業節水技術、提高渠系水利用率，就必須重視渠道凍漲破壞問題。

一、凍漲破壞原理

混凝土渠道受凍漲時，凍漲力作用于襯砌板上，襯砌板則要求變形，當變形受到約束得不到滿足時，就引起應力，當應力超過混凝土的強度時，就產生破壞，故襯砌板的凍漲破壞與約束的強弱有關。結構產生變形變化時，不同結構之間和結構內部各質點之間都會產生約束，前者為“外約束”，后者為“內約束”。外約束又分為“自由體”、“全約束”和“彈性約束”。以下是對它們的定義：

（一）自由體結構(或構件)，結構的變形等于結構的自由變形，無約束變形，不產生應力。變形自由體，即變形不受其他結構任何約束的最大，應力為零。

（二）全約束

即結構的變形全部受到其他結構的約束，使變形結構無任何變形的可能，即應力最大，變形為零。

（三）彈性約束

彈性約束是介于上述兩種約束狀態之間的一種約束。結構的變形受到部分約束，產生部分變形，變形結構和約束結構皆為彈性體，二者之間的相互約束稱為：“彈性約束”。既有變形，又有應力。

混凝土板和其下凍結土層牢牢凍結在一起。二者之間的約束屬于外部約束。為了說明問題，按以下兩種情況進行討論。

二、按法向自由體板應力分析

按法向自由體板應力分析是把一塊不大的混凝土板水平地擱置在含水土層上，當土層發生凍漲時，混凝土板和土層先相互凍結，含水土層在凍結過程中，自然要產生向上的凍結變形，此變形量稱為凍漲量，設其凍漲為h，那么，水平擱置在其上的混凝土板也隨之產生向上的變位h。因板的這一變位不受約束，是自由變位，故板內應力為零。

邊坡板是有一定坡角而斜向放置的，它的法向變位應與前述的第一種情況接近，應該說從渠底開始至渠頂越向上法向變位越接近自由變位，只在坡腳處及其附近的法向變位有來自底板及底板下凍土的約束，因此只在坡腳附近邊坡板內會產生法向的凍漲力，考慮到約束邊坡板法向變位沿板長的范圍很小，且邊坡板與底板為鉸接，故可忽略坡腳處邊坡板的法向凍漲力，邊坡板在法向可視為法向自由體，板內法向凍漲力為零。

既然板內的法向凍漲力為零，則板內的凍漲力只能是切向凍漲力，切向凍漲力決定于邊坡板的切向變位，下面就討論這個問題。

由于渠底土的含水量大于渠頂的含水量，所以，渠底的凍漲量就大于渠頂的凍漲量，設二者凍漲量之間的差值為△h，那么，對于邊坡板而言，其坡腳處的凍漲量等于渠底的凍漲量，其坡頂處的凍漲量等于渠頂處的凍漲量，坡腳、坡頂處則也有凍漲量差值△h存在。若邊坡板是彈性的，由幾何關系，可根據凍漲量差值△h計算出邊坡板AB在經過凍漲變形后其長度縮短了△L，如圖1、2所示，△L可用下式計算：

邊坡板在凍漲過程中要產生軸向壓縮變形△L，說明作用在該板上的凍漲力必定是軸向壓力，即邊坡板和凍土層之間的約束力為切向力。由于混凝土邊坡板屬于剛性體，在切向約束力的作用下基本不產生變形，故梯形混凝土板襯砌渠道在發生凍漲時，邊坡板和其下凍土層之間的切向約束應屬于全約束，其變形量△L≈0，板內的壓應力卻很大。

圖1 渠道橫斷面凍漲變形圖

圖2 邊坡板凍漲變位圖

三、襯砌板受力分析

當混凝土渠道發生凍漲時，襯砌板和其下的土層凍結在一起，在渠床土凍漲過程中由于含水土層的凍漲變形，將把整個渠道抬高一個高度，如圖3所示。在這里我們仔細討論一下邊坡板的變位情況，首先，我們把邊坡板在凍漲后發生的變位分解為平行于邊坡板和垂直于邊坡板的兩個相互正交的變位，并分別稱它們為切向變位與法向變位。我們根據變位與變位約束的關系就可以推斷邊坡板所承受的凍漲力。下面分別討論邊坡板的切向變位情況與法向變位情況，就可以討論邊坡板的切向凍漲力與法向凍漲力。

（一）邊坡板的受力分析

當邊坡板和其下土體凍結在一起時，由于坡腳、坡頂處凍漲量差值△h的存在和邊坡板變形量△L=0的原因，故邊坡板只能作整體順坡向上滑移，而由于板與凍土層之間的凍結作用成為一個整體，凍土層將阻止邊坡板的滑移，在二者接觸的界面上就產生了阻力阻礙邊坡板向上滑移，這個阻力是由于凍漲所引起的，又是作用在板的切向，故稱為切向凍漲力。設單位面積的切向凍漲力為τ，縱向單位渠長邊坡板下表面的剪應力合力為F，則邊坡板的切向凍漲力F可用下式計算：

式中：τ為混凝土邊坡板與凍土層之間的剪切應力；L為邊坡板沿斜坡的長度。

把切向凍漲力F作平移處理，再考慮板的自重，那么作用在邊坡板軸線上的力就是一個軸向壓力N和一個力矩M，計算簡圖如圖4所示，顯然混凝土邊坡板是一細長偏心受壓構件。

圖3 邊坡板與凍漲土層之間的剪應力圖

圖4 邊坡板的受力簡圖

當負溫來臨，板與土體凍結在一起，由于基土的切向凍漲力使板被壓縮，則板對基土的作用就為拉力。當渠底與渠頂凍漲量差值增大到某一值時，板下剪力達到最大值。板下剪應力合力的最大值等于凍土層所能承受的最大拉力。板下凍結土體是受拉構件，它的抗拉能力(即它所能承受的最大拉力)為其凍結強度(T)與橫斷面的面積的乘積。取沿渠道長度方向為1m的凍土來計算，則有：

式中：H為凍土深度(m)；T為基土的凍結強度，凍結強度T與凍土的溫度有關，當溫度在–15℃以上，可用式T=C+a·t來計算，t為負溫的絕對值。c、a為和土有關的系數，當基土為壤土時，c、a分別為0.5和0.12，當基土為粉質壤土時，c、a分別為0.4和0.1，當基土為重粉質壤土時，c、a分別為0.4和0.6。

（二）底板受力的分析

由于邊坡板與底板間為鉸接，建立邊坡板受力簡圖以后，也不難確定底板的計算簡圖。作用在底板上的外力有從兩側邊坡板傳來的力N，N可分解為Nx和Ny，x、y為水平方向和鉛垂方向，底板的自重GD和地基反力q。

設扣除板自重后的凈約束力為qn，則

底板的最大彎矩Mmax按簡支梁考慮，按下式計算：

底板屬于壓彎構件，既有壓桿失穩破壞問題，又有受彎破壞問題，因為承受橫向均布荷載q的底板，其中部彎矩最大，正截面上部受拉，底板中部有被拉裂的可能而發生彎曲破壞。在計算出邊坡板內力之后，底板的內力可由上述公式計算得出。

（三）消除作用在邊坡板上切向凍漲力的方法

混凝土渠道在凍漲過程中邊坡板和凍結土體之間的切向約束屬全約束，切向凍漲力就是切向約束反力。若設法解除了邊坡板和凍結土層之間的約束，約束力自然就不存在了，切向凍漲力也就完全消除了。在混凝土邊坡板下設置一道在負溫下不凍結可滑移的隔離層，就可以有效地解除二者之間的凍結約束，以達到消除作用在邊坡板上切向凍漲力的目的。

四、結語

灌區渠系水利用效率的調高是水利管理現代化和農業現代化進程的必然要求，隨著西部大開發的逐步深入，更多更先進的現代化技術必將在灌區管理的方方面面得到更為廣泛的應用，這是灌區整體技術提升的中間過程，也是農業現代化進程中的重要一環。在渠系規劃布置中，首先要注意選用較優的渠線，但要完全避開地質條件差的地段，則難以辦到，所以寒區地質條件差的渠系凍漲設計時候分必要的。

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