季節(jié)凍土區(qū)襯砌渠道典型防凍結構對比研究

羅麗娜

(阜新縣水利勘測設計院，遼寧 阜新 123100)

農(nóng)業(yè)與農(nóng)田水利工程息息相關，減少輸水過程中的水流損失，能夠實現(xiàn)擴大灌溉面積的目的。河渠邊坡中溫、土、水某一種因素或多種因素的變化會引起邊坡土體的不均勻凍脹，而凍脹問題能夠導致季節(jié)凍土區(qū)河渠邊坡防護工程的凍融破壞，從而導致邊坡防護結構錯位、開裂等問題。從理論上研究土體凍融后襯砌結構的變化規(guī)律以及相關因素的影響，提出益于生態(tài)環(huán)境并且經(jīng)濟合理的渠道襯砌結構，是解決季節(jié)凍土區(qū)河渠邊坡防護工程的凍融破壞問題的關鍵所在。本文根據(jù)凍土區(qū)襯砌渠道防凍結構設計原則，介紹了混凝土鉸接塊、雷諾護墊與預制混凝土板結合保溫板三種襯砌防凍結構與其施工工序，通過現(xiàn)場試驗采集監(jiān)測點的凍脹融沉變形，并且對比分析了三種襯砌防凍結構土體的殘余變形與凍脹恢復率，為解決季凍區(qū)河渠防護工程的凍害問題，提供技術方案與理論依據(jù)。

1 試驗段襯砌結構設計與原則

1.1 混凝土鉸接塊結構

現(xiàn)場試驗中采用的混凝土鉸接塊結構是一種連鎖式矩陣結構，通過鋼絞線把規(guī)格為0.45m×0.44m×0.15m的混凝土塊連接而成。混凝土鉸接塊襯砌結構設計邊坡比例1∶3，混凝土鉸接塊下方鋪設300g/m2的長絲土工布，固腳位置放置格賓網(wǎng)箱結構，長度為24m，渠坡表面鋪設混凝土鉸接塊，中間以卵石填充，具體布置如圖1所示。

圖1 混凝土鉸接塊襯砌系統(tǒng)

混凝土鉸接塊襯砌結構具體施工包括六道工序：①按照邊坡比例進行坡面務實與清理；②固腳與土質有關，砂性土根據(jù)設計要求開挖至目標尺寸，粘性土根據(jù)設計要求開挖至目標尺寸并向渠內超挖2%～4%；③鋪設土工布需要將卷材自坡頂鋪設至坡底并延伸至固腳底部；④格賓網(wǎng)箱固腳的現(xiàn)場施工通過展開網(wǎng)箱、填充石料、封邊并回填來完成；⑤鉸接塊施工首先固定坡腳位置，然后自下向上開始鋪設，通過鍍鋅鋼鉸線連接相鄰混凝土鉸接塊，形成一個連鎖結構的整體，渠頂位置將1m長混凝土鉸接塊彎折插入堤體并覆土夯實；⑥通過將尺寸恰當?shù)纳暗[石料攤鋪在連鎖板結構表面來填滿混凝土鉸接塊之間的縫隙。

1.2 雷諾護墊結構

雷諾護墊是透水體，能夠減緩凍脹變形，雷諾護墊結構能夠實現(xiàn)坡下土體與水體間的自然對流交換，具有對地基適應性強的優(yōu)點。雷諾護墊結構的設計邊坡比例同樣是1∶3，雷諾護墊下方鋪設300g/m2的長絲土工布，固腳位置同樣放置格賓網(wǎng)箱結構，長度為25m，渠坡表面鋪設17cm厚雷諾護墊，中間以卵石填充，具體布置如圖2所示。

圖2 雷諾護墊襯砌系統(tǒng)

雷諾護墊襯砌結構具體施工包括五道工序，前4道工序與混凝土鉸接塊襯砌結構相同，第5道工序為雷諾護墊的鋪設工序，首先進行雷諾護墊的組裝，然后自下向上進行鋪設，過程中注意保持隔板的方向一致；然后進行石料填充，從坡地兩側向上填充，防止護墊發(fā)生彎曲變形；最后通過鋼絲把隔板、邊板與蓋子進行捆綁，綁點寬度大于16cm，綁點間隔以12～16cm為宜。

1.3 預制混凝土板結合保溫結構

預制混凝土板結合保溫結構襯砌設計的邊坡比例也是1∶3，岸坡上面鋪設300g/m2的長絲土工布與砂墊層，然后攤鋪6cm厚保溫板與預制混凝土板，固腳位置同樣放置格賓網(wǎng)箱結構，長度為25m，具體布置如圖3所示。

圖3 預制混凝土板加保溫襯砌系統(tǒng)

預制混凝土板加保溫結構施工包括六道工序，前四道工序與混凝土鉸接塊襯砌結構相同，不同的工序在于砂墊層施工與保溫板預制混凝土板的攤鋪。通過人工與挖掘機結合來進行砂墊層施工，挖掘機將砂料自上而下進行攤鋪，人工配合攤鋪平整。保溫板的鋪砌和預制混凝土板鋪砌通常交叉進行，首先進行保溫板的鋪砌，鋪砌水平順序為沿渠道軸線錯縫有序，鋪砌垂向順序為自下而上，保溫板鋪砌到一定范圍時，將預制混凝土板鋪砌其上來達到固定保溫板的目的。

2 防護結構現(xiàn)場試驗

2.1 觀測布置

現(xiàn)場試驗選擇阜新縣大凌河，選擇背水坡護堤林中一個粗壯木墩作為變形基準點，試驗現(xiàn)場下游有交通橋，取橋墩上一點作為基準點的校核點。選取試驗工程的右岸斷面作為監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面布置6個監(jiān)測點，監(jiān)測點分布如圖4所示。

圖4 變形測點布置圖

試驗過程對凍脹融沉變形進行9次數(shù)據(jù)采集，由于渠道底部一直存在積水導致固腳處變形，難以觀測，未采集測點6的數(shù)據(jù)，而其余部位的數(shù)據(jù)信息采集完整。

2.2 位移觀測觀測結果與分析

通過把觀測天數(shù)作為為橫坐標，各襯砌凍脹變形量作為縱坐標，不同測點的各襯砌變形曲線如圖5所示。

根據(jù)圖5中各襯砌變形曲線可知，觀測前期，各襯砌的渠基出現(xiàn)了沉降變形，下沉量在3.0mm之內，原因是凍結階段初期，由于熱脹冷縮作用導致土體中尚未遷移的水分發(fā)生冷縮，從而出現(xiàn)一定的變形量。三種襯砌結構的凍脹最大變形皆出現(xiàn)在接近固腳的渠坡位置，最小出現(xiàn)在渠頂位置。以混凝土鉸接塊結構為例，靠近破面的凍脹變形較大，渠頂?shù)膬雒涀冃屋^小，凍脹變形在測點4出現(xiàn)最大值后然后開始縮小，但變形量大于測點3。土體含水量越多，水分凍脹體積增大越明顯，渠頂土體含水較少，凍脹變形就會較小，而渠坡土體含水量相對較多，則襯砌的凍脹變形就相應的變大。測點5雖然含水量大，但是由于襯砌的凍脹變形小于格賓網(wǎng)箱固腳的重量，所以該位置的凍脹變形并不符合上述規(guī)律。

根據(jù)試驗區(qū)域的負溫積溫與測點4位置的最大凍脹變形值，繪制出各襯砌凍脹變形與負溫積溫的關系曲線，如圖6所示。

圖5 各襯砌變形曲線

圖6 凍脹變形與負溫積溫關系曲線

由圖6中知，預制混凝土板結合保溫結構凍脹變形隨負溫的累積變化速度最慢，混凝土鉸接塊襯砌的凍脹變形速度稍快，雷諾護墊襯砌結構的凍脹變形最快。這是因為混凝土鉸接塊與雷諾護墊結構熱阻小、相對透氣度較高，對外界溫度變化敏感，不能減緩溫度梯度，所以凍脹變形相對較大。三種襯砌結構最大的凍脹變形量為：預制混凝土板加保溫結構(5.8cm)<混凝土鉸接塊結構(13.8cm)<雷諾護墊結構(15.7cm)。

土體由于渠道基土中的水凍結成冰而引起體積凍脹，融化以后體積又會減小，冷凍融化的過程能夠改變土體結構，導致土體的沉融，增大土壤顆粒之間的距離，解凍以后土壤顆粒之間的距離在上部負荷與重力作用下開始縮小，但是由于融沉變形的作用力要小于凍脹過程中的凍脹力，使得土壤顆粒之間的距離比凍結之前大，融沉變形與凍脹變形之間的差值稱作殘余變形，本文各結構的殘余變形大小順序為：預制混凝土板加保溫結構(0.65cm)<混凝土鉸接塊結構(1.66cm)<雷諾護墊結構(2.21cm)。

凍脹恢復率為最大凍脹變形扣除殘余變形后與最大凍脹變形的比值，用來衡量凍土凍脹的恢復能力，凍土凍脹恢復的能力與殘余變形大小密切相關，而殘余變形與凍脹變形量表現(xiàn)為相似規(guī)律。不同結構具有不同的凍脹恢復率，試驗結果表明：凍脹恢復率與其所處位置的凍脹變形密切相關。某一位置的凍脹量越小，則凍脹恢復率能夠大于90%，融化后更容易恢復，反之凍脹恢復率只有80%～90%。通過綜合比較發(fā)現(xiàn)，雷諾護墊的凍脹恢復率最小，混凝土鉸接塊次之，預制混凝土板加保溫結構的凍脹恢復率最高，恢復能力最好。

3 結論

根據(jù)凍土區(qū)襯砌渠道防凍結構設計原則，本文介紹了混凝土鉸接塊、雷諾護墊與預制混凝土板結合保溫板三種襯砌防凍結構與其施工工序，通過現(xiàn)場試驗采集監(jiān)測點的凍脹融沉變形，并且對比分析了三種襯砌防凍結構土體的殘余變形與凍脹恢復率，得出以下主要結論。

(1)三種襯砌結構的凍脹最大變形皆出現(xiàn)在接近固腳的渠坡位置，最小出現(xiàn)在渠頂位置。土體含水量越多，水分凍脹體積增大明顯，渠頂土體含水較少，凍脹變形較小，而渠坡土體含水量相對較多，則襯砌的凍脹變形就相應的增大。

(2)預制混凝土板結合保溫結構凍脹變形隨負溫的累積變化速度最慢，混凝土鉸接塊襯砌的凍脹變形速度稍快，雷諾護墊襯砌結構的凍脹變形最快，且三種襯砌結構最大的凍脹變形量為：預制混凝土板加保溫結構<混凝土鉸接塊結構<雷諾護墊結構。

(3)凍土凍脹恢復率與殘余變形表現(xiàn)規(guī)律相似，雷諾護墊的凍脹恢復率最小，混凝土鉸接塊次之，預制混凝土板加保溫結構的凍脹恢復率最高，恢復能力最好。

[1] 曲祥民. 基于深季節(jié)凍土區(qū)抗凍技術研究與應用[J]. 黑龍江水利科技, 2013(12): 1- 4+27.

[2] 何武全. 季節(jié)性凍土地區(qū)襯砌渠道的凍害成因與防治措施[J]. 水科學與工程技術, 2010(01): 45- 47.

[3] 銀英姿, 賈琦, 趙強, 等. 含水量對渠道保溫板保溫耐久性的影響及保溫板厚度設計[J]. 水利水電技術, 2017, 48(02): 170- 174.

[4] 廖云. 混凝土渠道凍脹破壞機制與抗凍技術研究進展[J]. 巖土力學, 2008, 29(s1): 211- 214.

[5] 潘登. 渠道襯砌體凍脹破壞機理分析與防治措施研究[J]. 地下水, 2007(02): 125- 127.

[6] 李書杰. 高地溫隧洞襯砌結構應力變形分析及降溫措施[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2016(01): 109- 113.

[7] 陳雯龍. 新疆混凝土防滲渠道凍脹破壞成因分析及防凍脹措施[J]. 水利技術監(jiān)督, 2011, 19(03): 45- 47.

[8] 樸春紅. 灌區(qū)防滲襯砌凍脹破壞成因及防治對策探究[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2016(12): 104- 105.