灌區小型U形渠凍脹破壞研究與優化

吾斯曼·薩迪爾

(塔里木河流域喀什管理局，新疆 莎車844700)

0 引 言

西北地區降水較少但農業用水需求量大，根據農業可持續發展的要求，應該大力發展節水和高效節水農業［1］。目前農業用水一般采用水利灌渠進行傳輸，但水利灌渠工程一般規模巨大，其結構受到溫度、洪水、地震等因素影響并出現不同程度的損壞。因為灌渠滲漏導致的農業用水損失可達農業用水量的45%。灌渠防滲漏襯砌是有效阻止水分流失的方法，從大量防滲漏工程來看，U 形混凝土襯砌性能最佳。其具有水力條件好、占地面積少、抗凍能力強等優點。

西北地區屬于半干旱氣候，冬季溫度較低，境內水資源較為缺乏。研究表明，采用混凝土襯砌等防水措施可以減少80%的滲漏損失。但是，U 形混凝土襯砌還是會發生凍脹破壞，嚴重影響灌渠的使用性能。從國內外研究現狀來看，尚不能準確計算出各種復雜情況下的凍脹量。目前，渠道凍脹破壞研究主要存在以下問題［2］:①學者們對引起凍脹的因素和凍脹力學模型研究尚有不同觀點;②目前的研究都是在渠道橫觀各項同性的條件下進行的，忽略了渠道縱向不均勻性;③我國采用的整體剛性襯砌結構還不能用于防凍脹破壞，應該引進剛柔混合結構。

1 凍脹破壞特征及原因

U 形混凝土襯砌渠道目前已經在西北地區小型支渠中廣泛應用，此結構中的襯砌板對渠基的約束力較少，渠基凍脹分布較為均勻。整體式U 形混凝土襯砌渠道與梯形渠道相比，占地面積較少，輸水能力提高;與兩拼式U 形渠道、三拼式U 形渠道相比，整體性較強，凍脹變形較小。三拼式U 形渠道直段弧段連接處的凍脹分布極不均勻，很容易出現斷裂，有的渠道甚至使用一年內就出現裂縫。兩拼式U 形渠道弧板與弧板相互制約，弧板中部的凍脹變形很大，此部位容易出現裂縫。因此，整體式U 形混凝土襯砌渠道應用最廣。

但是，整體式U 形混凝土襯砌渠各部分受到的光照強度不同，渠基處土質、濕度、風速也有差異，這就導致渠道各部分溫度分布不均，幾個凍融周期下來渠道也將出現凍脹破壞。其凍脹破壞主要有以下幾個特征:①凍脹方向均為法線方向;②背光面和渠道上部的凍結程度較深，受光面和渠道下部的凍結程度較淺;③渠道上部的法學凍脹力大于渠道下部，頂部和底部的切向凍脹力為0;④不易出現局部裂縫，整體性較好，在凍脹作用下出現整體抬高;⑤U形斷面曲線是連續函數，不存在突變點，凍脹變形更加均勻。

整體式U 形混凝土襯砌渠的凍脹破壞后，下層水分遷移到上層同時發生凍結，體積增加導致不均勻凍脹變形，不均勻變形會使襯砌渠道發生彎曲?；炷羶炔砍霈F內膨脹力，使得混凝土的強度下降，當混凝土強度小于凍脹變形應力時就會出現裂縫。具體分析導致凍脹破壞的原因主要有:①U 形渠道各部分受到的光照、風力等條件不同，凍脹方向為由渠測向里，由渠底向上發展;②渠基各部分的高度不同，地下水埋藏深度也不同，因此導致的凍脹變形量不同;③渠底向上的凍脹變形量和渠側法相凍脹變形量疊加后使得襯砌上移，整個混凝土襯砌版發生彎曲。

2 凍脹破壞的力學模型求解

由凍脹原因分析可知，凍脹破壞的受力分析十分復雜，受地下水位、渠基土壤含水率、溫度、光照、風速等多方面影響。建立一次超靜定非線性凍脹破壞模型，并對其作出以下假設:①凍脹力分布是對稱的，本文只對背光面進行凍脹力計算;②法向凍脹力沿著襯砌板線性分布，在渠道頂部為0，底部最大;切向凍脹力也為線性分布，在渠道頂部、渠道底部均為0，在襯砌板中上部達到最大值;③渠道與凍土鏈接視為鉸支座鏈接，切向凍結力由經驗公式計算出來。

整體式U 形渠道混凝土結構斷面如圖1 所示。U 形渠道圓弧半徑為R，渠道深度為h，襯砌厚度為b，圓弧上部直線段長L。根據受力平衡，整體式U 形渠道受到法向凍脹力和切向凍脹力分布見圖2。由圖2 可以看出，法向凍脹力q 的最大值在渠道底部，法向凍結力F 的最大值在渠道底部。

圖1 U 形渠道混凝土結構斷面

圖2 法向和切向凍脹力分布

根據受力平衡，得出法向凍脹力q 的力學方程為:式中:τ 為法向凍結力;α 為圓心角的一半。將襯砌板簡化成一個兩鉸拱，應用結構力學理論，求解出法向凍脹力q、法向凍結力τ、支座反力FBy、FAy、彎矩MP。由此得出任一截面的彎矩為:

將x = R，y = R + L，α =1.57 帶入上式即可得出最大彎矩。

由力學模型分析可知，法向凍脹力和凍結力都會產生負彎矩，切向凍脹力與凍結力則產生正彎矩。法向凍脹力越大，負彎矩越大。切向凍結力增加，法向凍脹力隨之增加，U 形渠就越容易出現裂縫。

研究表明，計算公式中的復雜力學指標只與最大切向凍結力有關，即與土壤性質、水位、溫度有關。因此無需對凍土的各項指標進行大量室外實驗。整體式U 形混凝土襯砌渠道的力學性能優于其他襯徹渠道，其凍結力、凍脹力分布較為均勻，因此應該在工程中進行推廣。

［1］劉雷. 混凝土襯砌渠道凍脹破壞有限元分析及抗凍脹保溫材料應用研究［D］. 西安:長安大學，2013.

［2］白劍. 寧夏引黃灌區小型U 形渠道抗凍脹試驗與襯砌結構研究［D］. 銀川:寧夏大學，2014.