鹽堿灌區(qū)渠道固化土襯砌結(jié)構(gòu)厚度優(yōu)化試驗(yàn)研究

趙 斐，辛明芳

(1.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 天津 300202；2.內(nèi)蒙古引綽濟(jì)遼供水有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400)

1 概述

灌溉技術(shù)是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必要基礎(chǔ)，隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，人們對糧食數(shù)量和質(zhì)量的需求度不斷提高，對灌溉技術(shù)水平的要求也愈加提高，農(nóng)田灌溉渠道應(yīng)運(yùn)而生。我國作為人口大國和水資源相對貧乏的國家，提高灌溉渠道水資源的利用率，充分發(fā)揮有限水資源的價(jià)值和作用就顯得尤為重要。

鹽堿土指的是土壤中易溶鹽含量超過0.3%的土，其具有鹽脹、融陷和腐蝕等不良工程特點(diǎn)，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成諸多不利影響[1]。在我國，也有十分廣泛的鹽堿土分布，松嫩平原、黃淮海平原、濱海地區(qū)和西北內(nèi)陸地區(qū)均有大面積的鹽堿土分布。當(dāng)鹽堿土的含水量較低時(shí)，其中的大部分鹽分會(huì)以晶體的形式存在于土壤顆粒之間，起到一定的骨架作用，因此土體的承載力較強(qiáng)。但是在降雨、灌溉等條件下，土壤中的鹽分溶解，進(jìn)而造成渠道襯砌結(jié)構(gòu)的融陷，而在冬季低溫條件下又會(huì)造成十分嚴(yán)重的凍脹破壞[2]。因此，在鹽堿土地區(qū)進(jìn)行渠道建設(shè)時(shí)，不僅要需要提高襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和抗腐蝕性，還應(yīng)該對渠道基土進(jìn)行改良，提升其抗凍脹性能。根據(jù)李宏波等人的研究，綜合利用水泥、粉煤灰、硅灰、鎂渣等材料對鹽堿土進(jìn)行改良，可以獲得良好的固化效果，提高渠道基土的承載力，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢料的資源化利用，具有良好的工程價(jià)值、經(jīng)濟(jì)價(jià)值和生態(tài)價(jià)值[3]。基于此，此次研究通過現(xiàn)場凍脹試驗(yàn)的方法，對鹽漬區(qū)輸水渠道固化土襯砌結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行優(yōu)化研究，為相關(guān)工程建設(shè)提供有益的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

此次研究的試驗(yàn)區(qū)為某灌區(qū)2#支渠的南側(cè)，范圍約2.23hm2，地下水埋深較大，一般為25～38m，不會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果造成明顯影響。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)的地形較為平坦，高程在133～135m左右，主要種植小麥和玉米等農(nóng)作物。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)包含了1條進(jìn)水支渠，8條進(jìn)水斗渠、12條排水斗溝和1條排水支溝。灌區(qū)內(nèi)的每條溝渠控制灌溉面積約3hm2左右，由于部分渠道的比降相對較大，且鹽堿土的濕陷性較大，因此渠道的損壞現(xiàn)象比較嚴(yán)重。試驗(yàn)區(qū)的土壤以鹽堿土為主，大部分為中度鹽堿土，其中重度鹽堿土約占30%。所選取的試驗(yàn)段土壤為中度到中度鹽堿土，在試驗(yàn)區(qū)土壤中具有代表性。試驗(yàn)區(qū)為典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱，冬季漫長，春秋兩季比較短促，多年平均氣溫為4.5℃，極端最高氣溫37.8℃，極端最低氣溫-34.8℃，最大凍土深度2.04m。

2.2 試驗(yàn)段選擇

此次現(xiàn)場試驗(yàn)的主要目的是獲取固化土厚度對襯砌結(jié)構(gòu)防凍脹性能的影響，因此應(yīng)該選擇完整渠道的一部分，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性能夠有效支撐試驗(yàn)結(jié)論，為相關(guān)工程建設(shè)提供借鑒和支持[4]。另一方面，在試驗(yàn)段的選擇過程中，還應(yīng)該先進(jìn)行鉆土探查，看深層是否存在較大礫石和碎石區(qū)，如果有就需要另選試驗(yàn)段。同時(shí)，試驗(yàn)段應(yīng)該靠近電源，保證監(jiān)測設(shè)備能夠正常工作[5]。基于上述要求，試驗(yàn)中選擇試驗(yàn)區(qū)支渠2+233～2+293段作為試驗(yàn)段，每種試驗(yàn)方案渠段長10m，試驗(yàn)段總長60m。試驗(yàn)段渠道為梯形斷面設(shè)計(jì)，渠深1.5m，渠坡坡度為1∶1.5；渠底寬0.8m。其斷面如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)段斷面示意圖

2.3 監(jiān)測設(shè)備

試驗(yàn)中需要用到的監(jiān)測設(shè)備有振弦式土壓力盒、振弦式側(cè)縫位移計(jì)、振弦式孔隙水壓力計(jì)、溫濕度傳感器、多通道數(shù)據(jù)采集儀和設(shè)備箱[6]。其中，凍脹量的監(jiān)測采用的是振弦式測縫計(jì)監(jiān)測，其結(jié)構(gòu)小，輸出靈敏度高，測量范圍為0～50mm，測量精度小于0.1mm；凍脹力的監(jiān)測利用振弦式土壓力盒監(jiān)測，其測量范圍為0～10MPa，測量誤差小于0.1MPa。

經(jīng)過和灌區(qū)負(fù)責(zé)人的溝通，在2020年6月進(jìn)行固化土和襯砌結(jié)構(gòu)施工以及監(jiān)測設(shè)備的布設(shè)，然后進(jìn)行一個(gè)冬季的凍脹監(jiān)測，試驗(yàn)于2021年4月15日結(jié)束。由于監(jiān)測設(shè)備需要利用電池供電，冬季和連續(xù)陰雨天會(huì)導(dǎo)致太陽能電池電量不足，需要在附近拉取電線進(jìn)行供電。

2.4 試驗(yàn)方案

根據(jù)李宏波等人的研究成果，利用水泥、粉煤灰、硅灰和鎂渣對試驗(yàn)段的渠基土進(jìn)行改良和固化，其固化土的配比方案為水泥3%、粉煤灰20%、硅灰5%、鎂渣30%。按照上述比例對研究段渠道基土進(jìn)行換填、夯實(shí)，然后再進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)的施工，上部的襯砌結(jié)構(gòu)為厚度8cm的C25現(xiàn)澆混凝土板[7]。鑒于北方寒區(qū)的輸水渠道凍脹破壞過程中，下部的法向凍脹力和凍結(jié)力明顯偏大。考慮此次研究中固化土的性質(zhì)和現(xiàn)場的實(shí)際情況，研究中確定坡頂部位的加固厚度為30 cm，將坡腳部位的加固厚度視為變量，分別設(shè)計(jì)30、40、50、60、70cm的厚度進(jìn)行試驗(yàn)(渠底的加固厚度與坡腳相同)，同時(shí)將沒有設(shè)置固化土的方案作為對比方案。試驗(yàn)中對各種不同厚度方案下的凍脹特征進(jìn)行監(jiān)測和分析，并結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)性，綜合確定最佳的加固厚度。

由于選取的試驗(yàn)段基本呈南北走向，因此兩側(cè)渠坡的凍脹特征方面并無明顯的差異，因此僅對渠道的右側(cè)渠坡和渠底進(jìn)行監(jiān)測[8]。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，每種試驗(yàn)方案設(shè)置在凍脹量最大的渠坡距離渠底2/3部位以及渠底中部分別設(shè)置3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，分別距離該方案試驗(yàn)段起點(diǎn)3、5、7m的部位。將3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 凍脹量

在試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)中提取出不同試驗(yàn)方案渠坡和渠底的凍脹量的最大值，結(jié)果見表1。由表1中的數(shù)據(jù)可以看出，與沒有設(shè)置固化土的對比方案相比，在設(shè)置固化體渠基土結(jié)構(gòu)方案下，渠道的最大凍脹量均有十分明顯減小，減小幅度在40%～60%左右。由此可見，設(shè)置渠基固化土可以有效控制渠道冬春季的凍脹變形，抗凍脹效果十分明顯。

表1 襯砌凍脹量最大值試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步分析不同厚度固化土的抗凍脹效果，利用表1中的數(shù)據(jù)繪制出凍脹量隨固化土厚度的變化曲線，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出，渠坡和渠底的最大凍脹量均隨著加固土厚度的增加而減小，說明加固土的厚度越大，抗凍脹效果越強(qiáng)[9]。另一方面，當(dāng)加固土的厚度小于50cm時(shí)，最大凍脹量隨加固土厚度的增加而迅速減小，當(dāng)加固土的厚度小于50cm時(shí)，最大凍脹量的減小不明顯。因此，從凍脹量試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)濟(jì)性考慮，加固土的厚度以50cm為最佳。

圖2 凍脹量隨加固土厚度變化曲線

3.2法向凍脹力

在試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)中提取出不同試驗(yàn)方案渠坡和渠底的法向凍脹力最大值，結(jié)果見表2。由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，與沒有設(shè)置固化土的對比方案相比，在設(shè)置固化體渠基土結(jié)構(gòu)方案下，渠道的最大法向凍脹力均有明顯減小，減小幅度在30%～50%左右。由此可見，設(shè)置渠基固化土可以有效控制渠道冬春季的凍脹變形，抗凍脹效果明顯。

表2 襯砌法向凍脹力試驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步分析不同厚度固化土的抗凍脹效果，利用表2中的數(shù)據(jù)繪制出法向凍脹力隨固化土厚度的變化曲線，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，渠坡和渠底的最大法向凍脹力均隨著加固土厚度的增加而減小，說明加固土的厚度越大，抗凍脹效果越強(qiáng)[10]。另一方面，當(dāng)加固土的厚度小于50cm時(shí)，最大法向凍脹力隨加固土厚度的增加而迅速減小，當(dāng)加固土的厚度小于50cm時(shí)，最大法向凍脹力的減小不明顯。因此，從法向凍脹力試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)濟(jì)性考慮，加固土的厚度以50cm為最佳。

圖3 最大法向凍脹力變化曲線

3.3 切向凍脹力

在試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)中提取出不同試驗(yàn)方案渠坡和渠底的切向凍脹力最大值，結(jié)果見表3，繪制的最大切向凍脹力隨加固土厚度變化曲線如圖4所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，最大切向凍脹力的變化與凍脹量和法向凍脹力具有相同的變化規(guī)律。因此，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和工程經(jīng)濟(jì)性，推薦采用厚度為50cm的固化土。

表3 襯砌切向凍脹力試驗(yàn)結(jié)果

圖4 最大切向凍脹力變化曲線

4 結(jié)論

此次研究通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方法，研究了鹽漬區(qū)渠道固化土結(jié)構(gòu)最佳厚度問題。研究結(jié)果顯示：設(shè)置固化土結(jié)構(gòu)的各個(gè)方案的最大凍脹量、最大法向凍脹力和切向凍脹力均大幅減小，說明固化土結(jié)構(gòu)對提高渠道襯砌抗凍脹性能具有顯著作用；從不同方案的對比來看，固化土結(jié)構(gòu)厚度超過50cm時(shí)，其對防凍脹性能的提升作用較為有限；結(jié)合工程的經(jīng)濟(jì)性，建議固化土結(jié)構(gòu)厚度為50cm。當(dāng)然，此次研究中對變量的設(shè)置比較單一，沒有考慮上部襯砌結(jié)構(gòu)的綜合影響，另采集樣本均有限，在今后的研究中需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本進(jìn)行試驗(yàn)和分析，以獲得更為全面和科學(xué)的研究成果。