U型混凝土渠道凍脹試驗監測與抗凍拔力驗證研究

蘇 容，郭競逸，田 宇

0 引言

渠道是我國重要的輸配水設施，在農田灌溉與排水工程中的應用極為廣泛[1]，U型渠道由于其斷面水力特性好、渠道覆蓋性好、防滲效果好等優點，目前已逐漸被廣泛應用于農田水利灌溉排水渠道中[2]，但目前U型渠道的使用壽命普遍較低，而渠道地基土壤的凍脹現象是造成U型渠道破壞的主要原因之一，尤其對剛性混凝土襯砌U型渠道的影響尤為嚴重[3]?；炷罸型渠道的抗拉與抗彎能力較差，由于地基凍賬變形造成的渠道裂縫現象尤為嚴重。因此研究不同地區混凝土U型渠道的凍脹監測可為當地渠道設計提供必要的理論支撐。

目前針對不同形式的渠道凍脹試驗，國內已有了部分研究。目前主要分為數值模擬和試驗研究2種方法來研究渠道凍脹現象。姜海波與田艷[4]在新疆地區通過試驗研究了梯形混凝土襯砌渠道的凍脹現象，指出渠道陰坡的凍土深度明顯高于陽坡；曹谷等[5]研究了不同坡角對U型渠道混凝土襯砌凍脹變形的影響，南北走向的渠道在傾角為18°～22°之間時凍脹變形最大。

本文通過現場試驗研究，在U型渠道斷面上設置7組觀測點，分別研究不同位置U型渠道的凍脹現象差異，并通過實例驗算了U型渠道的抗凍拔力，研究成果可為當地U型渠道的施工和設計提供理論基礎。

1 試驗設計與方法

本試驗選擇在內蒙古河套灌區進行，項目區屬于季節性凍土區，區域當地最大凍土深度可達1.2 m以上，試驗段渠道全長50 m，U型斷面采用標準斷面，斷面上口寬550 mm，下口寬410 mm，弦心距35 mm，斷面高度790 mm，混凝土襯砌厚度70 mm，圓弧部分圓心角160.62°，斷面過水面積可達3059 cm2，水力半徑185 mm。

在渠道陽坡布置A、B、C 3個測點，陰坡布置E、F、G 3個測點，渠底布置1個測點，對于凍土深度的測定采用DTM-2型凍土器測定，渠道凍脹變形量采用水準儀和經緯儀測定，凍脹力采用應變式荷重傳感器測定。試驗于11月底，每10d測定一次，一直到4月初，同時監測渠道的凍土深度、凍脹量和凍脹力，具體試驗布置圖見圖1。

圖1 試驗U型斷面形式與測點布置圖

2 結果與分析

2.1 不同測點凍土深度變化趨勢分析

從11月20日至4月12日每隔10d測定一次每個測試點的凍土深度，其凍土深度隨時間的變化趨勢如圖2所示。圖2顯示，不同測點的凍土深度變化趨勢基本一致，均呈開口向下的拋物線趨勢，隨著時間的增長，凍土深度呈先提高后降低的趨勢。陰坡測點凍土深度變化趨勢與陽坡測點略有不同，陰坡處的E、F、G3個測點和渠底的D測點在11～20日之后出現凍土，而陽坡出的A、B、C個測點在12月1日之后才出現凍土，凍土出現時間有了明顯的延后。當氣溫逐漸下降時，不同測點凍土深度呈上升趨勢，且陰坡和渠底凍土深度上升速率明顯高于陽坡處；不同位置測點均在1月20日左右凍土深度達到最大值，陰坡最大凍土深度為147 mm，渠底為157 mm，陽坡為112 mm；隨著溫度的升高，不同位置測點凍土深度逐漸降低，當溫度回歸到正值時，凍土深度也隨之消失。

綜上所述，相同斷面不同位置的測點凍土深度變化規律不同，這是由于處于不同位置的測點，其所處的溫度場不同，導致了剛性襯砌的變形量不同。這種現象表現為陰坡和渠底的凍土深顯著高于陽坡，當混凝土襯砌渠道由于凍脹發生破壞時，渠道中水量的滲漏現象嚴重，加大了土壤含水量，促進了凍土深度的形成[6]。

圖2 不同測點位置凍土深度隨時間變化趨勢圖

2.2 不同測點凍脹現象差異分析

表1為不同測點最大凍土深度、凍脹量和凍脹力之間的差異分析。表1顯示，陽坡處3個測點的最大凍土深度基本一致，均在110 mm左右，而在渠底處達到最大，為157 mm，陰坡處3個測點凍土深度均在130 mm以上，同時渠底最大凍土深度較陽坡提高了30%左右，且不同測點之間最大凍土深度差異均達顯著水平（p＜0.05），較陰坡提高了6.4%～15.9%，且差異均達顯著水平（p＜0.05），而位于相同坡面位置的測試點之間差異均未達顯著水平（P＞0.05）；陽坡處3個測點的凍脹量均在35 mm左右，而在渠底處達到最大，為138 mm，陰坡處3個測點凍脹量均在98 mm以上，同時渠底最大凍土深較陽坡提高了70%左右，且差異均達顯著水平（p＜0.05），較陰坡提高了10.0%～28.9%，且差異均達顯著水平（p＜0.05）；陽坡處3個測點的凍脹力均在120 kPa左右，而在渠底處達到最大，為163 kPa，陰坡處3個測點凍脹量均在130 kPa以上，同時渠底最大凍土深較陽坡提高了20%左右，且差異均達顯著水平（p＜0.05），較陰坡提高了9.2%～17.8%，且差異均達顯著水平（p＜0.05），綜上所述，陰坡和渠底處的最大凍土深度、凍脹量和凍脹力均顯著高于陽坡，更易發生凍脹破壞，與前文的結論一致。

表1 不同測點最大凍土深度、凍脹量和凍脹力差異分析

2.3 U型混凝土渠道抗凍拔力驗算

U型渠道混凝土襯砌凍拔力為切線方向收到的凍脹力與受力面積的乘積，計算公式如下：

式中：F為U型混凝土渠道收到的凍拔力，kN；τ為切向凍脹力，kPa；s為受力面積，m2；α為水上部分占全部的比例；L為邊壁長度，m。

U型渠道混凝土襯砌抗凍拔力采用下式計算：

式中：F'為U型混凝土渠道抗凍拔力，kN；f為收到的摩擦力，kN；G 為所受重力，kN；α 為渠道傾角，°。

選擇圖1中相同斷面的渠道1.5 km，渠道縱坡比降1/1000，襯砌與土壤的摩擦系數為0.35，當地最大凍土深度取1.5 m，將設計參數代入到公式（1）（2）中，分別計算渠道的凍拔力和抗凍拔力，計算結果為凍拔力F=21.79 kN，抗凍拔力為31.57 kN，因此當地渠道設計科滿足設計要求，使渠道邊坡不會因凍脹作用被整體拔出，但凍拔力與允許值相差不大，需早日采取相應措施，改善渠道襯砌效果。

3 結論

本文通過現場試驗監測的方法，在混凝土襯砌U型渠道斷面上設置了7個不同測點，分別觀測了不同測點的凍土深度、凍脹量和凍脹力3個不同指標，分析了不同位置測點不同指標的變化規律，并通過工程實例計算了當地混凝土U型渠道的抗凍拔力，驗證了渠道是否滿足要求，得到了以下的結論：

1）不同測點凍土深度隨時間呈先增加后降低的二次拋物線趨勢，不同測點凍土深度均在1月20日左右達到最大值，同時陰坡和渠底的凍土深度明顯高于陽坡，最大凍土深度達到了157mm；

2）陰坡和渠底的最大凍土深度、凍脹量和凍脹力均顯著高于陽坡，最大凍土深度最高高出了30%、凍脹量最高高出了70%、凍脹力最高高出了20%，且差異均達顯著水平（p＜0.05）；

3）通過公式計算對相同U型渠道斷面的工程實例進行了抗凍拔力驗算，得出的凍拔力為21.79 kN，抗凍拔力為31.57 kN，因此以該斷面形式施工可滿足抗凍要求，但仍需采取措施進行進一步完善。

[1]李寧.農田水利灌溉渠道工程運行維護及管理[J].農田水利，2016，(16)：113.

[2]黃力，李致江，史化龍.U型渠道在小型農田水利灌溉渠道中的應用[J].鄉村科技，2017，(16)：90-91.

[3]高靖，田軍倉，王斌.不同U型結構混凝土渠道凍脹數值模擬分析[J].灌溉排水學報，2015，34(4)：38-42.

[4]姜海波，田艷.季節凍土區剛柔混合襯砌梯形渠道凍脹機理試驗[J].農業工程學報，2015，31(16)：145-151.

[5]曹谷，高建陽，湯桂梅.坡角對U型渠道襯砌凍脹變形的影響[J].水利規劃與設計，2017，(7)：74-77.

[6]李安國，陳瑞杰，杜應吉，等.渠道凍脹模擬試驗及襯砌結構受力分析[J].防滲技術，2000，1(6)：5-16.