混凝土鉸接塊在燈塔灌區(qū)飲水總干渠凍害防護(hù)工程中的應(yīng)用

(遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

1 工程背景

燈塔灌區(qū)位于遼寧省遼陽市境內(nèi)，是遼寧省中部的大型灌區(qū)之一。燈塔灌區(qū)渠首引水工程位于葠窩水庫(kù)下游9km處，控制面積420km2，有效灌溉面積2.17萬hm2[1]。灌區(qū)建成于1976年，經(jīng)過30年的運(yùn)行，渠道滲漏破壞情況比較嚴(yán)重，亟待進(jìn)行加固改造，提高水資源的利用效率。

燈塔灌區(qū)位于中國(guó)中高緯度地區(qū)，冬季漫長(zhǎng)寒冷，冰凍期持續(xù)長(zhǎng)達(dá)半年左右[2]。多年平均氣溫2～5℃，極端最低氣溫-38.70℃，冬季凍深約1.20～2.50m。試驗(yàn)段內(nèi)渠道沿線表層分布有一定深度的淤泥質(zhì)土，凍脹性十分明顯。研究區(qū)地下水主要是第四系孔隙潛水和弱承壓水，含水層巖性分布連續(xù)而且穩(wěn)定。渠道渠堤土質(zhì)較好，主要由低液限黏土構(gòu)成，最大滲透系數(shù)4.12×10-5cm/s。

燈塔灌區(qū)飲水總干渠主要采用漿砌石剛性結(jié)構(gòu)襯砌，其優(yōu)點(diǎn)是具有良好的防滲效果，可以有效減輕渠道的滲漏損失。但此種結(jié)構(gòu)屬于貼面式結(jié)構(gòu)，對(duì)下臥土體的不均勻變形適應(yīng)能力差，隨著凍融循環(huán)，會(huì)發(fā)生整體性破壞，影響渠道的安全運(yùn)行[3]。此外，高寒地區(qū)的土質(zhì)渠道襯砌，極易受高地下水位揚(yáng)壓力的作用造成邊坡失穩(wěn)。因此，研究新型柔性襯砌結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化渠道邊坡防護(hù)具有重要意義[4]。

2 混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)室內(nèi)模型試驗(yàn)

模擬實(shí)驗(yàn)地段，選擇燈塔灌區(qū)飲水總干渠2+000～2+125段，位于渠首下游約2km處。

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)樣土全部取自燈塔灌區(qū)飲水總干渠試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)，土樣試驗(yàn)嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237—1999)規(guī)定進(jìn)行，模型試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 模型試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)中采用0.45m×0.44m×0.15m混凝土鉸接塊，并由鋼絞線將規(guī)格一致的預(yù)制混凝土塊連接成一個(gè)整體，混凝土鉸接塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用混凝土鉸接塊設(shè)計(jì)的渠道襯砌是一種典型的柔性結(jié)構(gòu)，不僅對(duì)下部土體的不均勻變形有較強(qiáng)的適應(yīng)性，還有利于補(bǔ)給地下水，是一種生態(tài)護(hù)岸結(jié)構(gòu)?；炷零q接塊的工廠預(yù)制強(qiáng)度等級(jí) C30、F300、二級(jí)配，在預(yù)制成型時(shí)需要保證質(zhì)量和養(yǎng)護(hù)條件。

圖1 混凝土鉸接塊的結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

2.2 模型布置與設(shè)計(jì)

混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)的室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)置了完備的測(cè)試手段，能夠?qū)υ囼?yàn)過程中的溫度場(chǎng)、位移變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)模型試驗(yàn)的要求和試驗(yàn)段渠坡實(shí)際情況，設(shè)定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀伪瘸邽?∶4、溫度比尺為1∶1、時(shí)間比尺為1∶16[5]。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 溫度場(chǎng)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，渠道淺層位置混凝土鉸接塊襯砌下的土體，其溫度場(chǎng)受外界環(huán)境溫度的變化比較明顯，具有較高的響應(yīng)度?？傮w而言，在20cm以內(nèi)的土層溫度場(chǎng)變化均顯示出溫度降低、保持穩(wěn)定和回升的變化特征。深度在 20cm 以下的土體受外界環(huán)境溫度的影響不明顯，響應(yīng)度較低，總體上為持續(xù)下降，但始終保持在0℃以上，直到試驗(yàn)?zāi)┢诓庞行》然厣?/p>

2.3.2 凍脹融沉

試驗(yàn)結(jié)果顯示，襯砌下的土體在試驗(yàn)開始時(shí)位移出現(xiàn)負(fù)值，而在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)存在一定的殘余變形。位移出現(xiàn)負(fù)值的原因?yàn)榄h(huán)境溫度的降低造成土體冷縮，而當(dāng)溫度繼續(xù)降低時(shí)逐步發(fā)生凍脹[6]。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)殘余變形產(chǎn)生的原因?yàn)閮雒涍^程中土體組構(gòu)會(huì)約束凍脹作用而產(chǎn)生凍脹力，并對(duì)周圍土體產(chǎn)生破壞作用，因此，在融化過程中出現(xiàn)殘余變形。相比于其他柔性護(hù)坡結(jié)構(gòu)，鉸接塊的整體性較好，在融化期能夠較好復(fù)位，殘余變形較小。試驗(yàn)結(jié)果顯示，混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)殘余變形為16.70mm，遠(yuǎn)小于《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 23—2006)中關(guān)于梯形斷面渠道5cm的允許變形值，折算為實(shí)際變形情況，其凍害等級(jí)為Ⅲ級(jí)[7]。因此，模型試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為混凝土鉸接塊襯砌均符合工程技術(shù)要求。

3 混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

3.1 混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

在室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，在燈塔灌區(qū)飲水總干渠2+010～2+025段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中采用0.45m×0.44m×0.15m規(guī)格混凝土鉸接塊。渠道混凝土鉸接塊襯砌結(jié)構(gòu)的邊坡設(shè)置為1∶3；在渠坡上進(jìn)行混凝土鉸接塊鋪設(shè)，并在其內(nèi)部填充細(xì)卵石；在混凝土鉸接塊下面的土體上鋪設(shè) 300g/m2的長(zhǎng)絲土工布，在坡腳部位設(shè)置格賓網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)，起到固腳作用[8]，混凝土鉸接塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 混凝土鉸接塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3.2 混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)施工方案

混凝土鉸接塊襯砌結(jié)構(gòu)施工的基本流程為削坡及鋪砌面處理→固腳開挖→土工布鋪設(shè)→固腳施工→鉸接塊鋪設(shè)安裝→砂礫石料回填。

3.2.1 削坡及鋪砌面處理

結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)渠道坡面按試驗(yàn)方案進(jìn)行清坡、整理、夯實(shí)，特別要使坡比滿足試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械南嚓P(guān)要求。

3.2.2 固腳開挖

按照相關(guān)設(shè)計(jì)要求對(duì)渠道的固腳實(shí)施開挖作業(yè)，如果坡腳位置屬于黏性土，則可以直接開挖，開挖時(shí)需要按照設(shè)計(jì)尺寸向渠內(nèi)一側(cè)超挖3%～5%；如果坡腳部位屬于沙質(zhì)土壤，只需要按照設(shè)計(jì)尺寸開挖即可，不需要向內(nèi)超挖。

3.2.3 土工布鋪設(shè)

在整理、夯實(shí)的坡面上進(jìn)行土工布鋪設(shè)，鋪設(shè)時(shí)既可以采用人工滾放，也可以借拖拉機(jī)鋪設(shè)；在土工布鋪設(shè)時(shí)，要將卷材展放至坡底并延伸到開挖固腳的底部。

3.2.4 固腳施工

格賓網(wǎng)箱的施工按照相關(guān)施工規(guī)范展開即可，展開網(wǎng)箱、填充石料、封邊，回填工作均需現(xiàn)場(chǎng)完成。

3.2.5 鉸接塊鋪設(shè)安裝

在進(jìn)行鉸接塊鋪設(shè)安裝時(shí)，首先將混凝土鉸接塊固定在坡腳處并按水平方向鋪設(shè)2m，然后再按照自下而上順序逐層施工。所有相鄰混凝土鉸接塊之間需要用鋼鉸線進(jìn)行連接，成為整體“鋪”，在每“鋪”鋪設(shè)完畢后，再將其上下兩端進(jìn)行固定，并利用鎖扣連接，形成整體連鎖結(jié)構(gòu)。在鋪設(shè)到渠頂后，將 1m 左右的鉸接塊向下彎折，插入堤體固定，最后在上面覆土夯實(shí)。

3.2.6 砂礫石料回填

將大小適宜的細(xì)卵石均勻攤鋪在連鎖結(jié)構(gòu)的表面，然后將這些細(xì)卵石填進(jìn)混凝土鉸接塊上預(yù)留的空隙中，在填滿所有空隙后，將結(jié)構(gòu)表面剩余的細(xì)卵石清理干凈。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)

3.3.1 觀測(cè)內(nèi)容

根據(jù)模型試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)段渠道實(shí)際情況，該次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)擬定如下觀測(cè)內(nèi)容：?對(duì)試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際氣溫變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)；?對(duì)混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)凍脹融沉變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.3.2 觀測(cè)方法

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的所有數(shù)據(jù)均需要通過人工觀測(cè)采集獲得。其中，溫度測(cè)量采用PT100 型溫度傳感器，并利用便攜式溫度巡檢儀采集溫度數(shù)據(jù)；試驗(yàn)過程中采用全站儀觀測(cè)凍脹融沉變形，其測(cè)量精度達(dá)到±0.50mm，完全可滿足測(cè)量要求。

3.3.3 測(cè)點(diǎn)布置

取每個(gè)試驗(yàn)工程右岸的中斷面作為監(jiān)測(cè)斷面，并在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面自下而上等距布置 5個(gè)測(cè)點(diǎn)。在背水坡護(hù)堤林內(nèi)一個(gè)粗大的木墩上設(shè)置變形基準(zhǔn)點(diǎn)，在試驗(yàn)段下游600m 左右交通橋橋墩設(shè)置一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的校核點(diǎn)。

3.3.4 觀測(cè)結(jié)果分析

對(duì)各襯砌的凍脹變形量觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行整理和分析，折算出不同測(cè)點(diǎn)襯砌的實(shí)際凍脹變形量，計(jì)算結(jié)果見表2所示。由表2數(shù)據(jù)可知，各襯砌的凍脹變形變化過程與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果基本一致。特別是殘余變形量最大值為1.14cm，低于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，表明混凝土鉸接塊柔性襯砌結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的剛性襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)不均勻凍脹變形的適應(yīng)性更好，可以在渠道加固改造中推廣應(yīng)用。

表2 不同測(cè)點(diǎn)襯砌的實(shí)際凍脹變形量

4 結(jié) 論

本文以燈塔灌區(qū)引水總干渠襯砌結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合，表明混凝土鉸接塊柔性襯砌結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的剛性襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)不均勻凍脹變形具有更好的適應(yīng)性。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)凍脹變形結(jié)果基本一致，表明室內(nèi)模型試驗(yàn)研究結(jié)果比較可靠，可為類似研究提供經(jīng)驗(yàn)支持；混凝土鉸接塊柔性襯砌結(jié)構(gòu)凍結(jié)過程中表現(xiàn)出先凍縮后凍脹的規(guī)律，殘余變形量最大值為1.14cm，沒有明顯凍脹破壞，表明該結(jié)構(gòu)對(duì)渠道不均勻凍脹有較好的適應(yīng)性；混凝土鉸接塊柔性襯砌結(jié)構(gòu)施工簡(jiǎn)易，便于維護(hù)，且有利于地下水補(bǔ)給，有益于生態(tài)環(huán)境平衡，值得在北方嚴(yán)寒地區(qū)渠道工程建設(shè)中推廣使用。

[1] 劉勝男.燈塔灌區(qū)節(jié)水改造工程水資源供需平衡分析[J].地下水,2016(6):236+240.

[2] 丁濤.混凝土襯砌渠道防凍脹技術(shù)在節(jié)水改造中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2015(3):111-114.

[3] 陳德勇.燈塔灌區(qū)水利設(shè)施現(xiàn)狀與配套節(jié)水改造分析[J].黑龍江水利科技,2015(6):117-118.

[4] 魯林.遼寧省燈塔灌區(qū)灌溉管理存在問題與多元化發(fā)展策略[J].水利發(fā)展研究,2016(2):89-92.

[5] 張晨笛,何武全,張希棟,等.季節(jié)性凍土地區(qū)渠道防滲防凍脹新材料及應(yīng)用[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2011(5):145-148.

[6] 何武全,張紹強(qiáng),吉曄,等.季節(jié)性凍土地區(qū)渠道防滲防凍脹技術(shù)與應(yīng)用模式[J].節(jié)水灌溉,2012(11):67-70.

[7] 中華人民共和國(guó)水利部.SL 23—2006渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006.

[8] 謝成玉,王國(guó)志.季節(jié)凍土區(qū)跨流域調(diào)水工程明渠襯砌結(jié)構(gòu)型式探討[J].中國(guó)水利,2014(20):56-58.

協(xié)會(huì)動(dòng)態(tài)

關(guān)于評(píng)選2017—2018年度中國(guó)水利工程優(yōu)質(zhì)(大禹)獎(jiǎng)的通知

根據(jù)《中國(guó)水利工程優(yōu)質(zhì)(大禹)獎(jiǎng)評(píng)選管理辦法》(中水協(xié)[2013] 43號(hào))，中國(guó)水利工程協(xié)會(huì)現(xiàn)組織開展2017—2018年度中國(guó)水利工程優(yōu)質(zhì)(大禹)獎(jiǎng)評(píng)選工作，申報(bào)工作截止時(shí)間為2018年6月30日，有關(guān)事宜詳見中國(guó)水利工程協(xié)會(huì)官網(wǎng)( www.cweun.org )通知公告欄目，敬請(qǐng)關(guān)注。