西北寒區渠道工程凍融災害鏈式試驗研究

弋昭媛

(新疆額爾齊斯河流域建設開發管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

渠道是我國輸送水資源的重要方式，而北方季節凍土區渠系利用率很低，主要是由于渠基土凍脹發生破壞，降低了渠道輸水功能的效率，導致了大量灌溉水滲漏[1]。渠道工程在寒區受到凍脹破壞的影響情況嚴重，因此解決渠道防滲抗凍脹問題是發展節水農業的重要保障[2]。20世紀60年代，李翠蘭[3]依據毛細理論對土體產生凍脹力以及凍脹進行分析并給出了定量計算，提出冰透鏡體之所以產生是由于凍脹壓力和抽吸壓力的存在；黃英豪[4]等對凍土中熱質轉移以及水分運移引起的水、熱、力多場耦合問題進行了探究，并通過適當的假設條件建立了模型方程，得出土體凍結規律。本文基于相關理論研究，結合前人的研究結果，以新疆北屯灌區渠道為研究對象進行科學研究，通過建立試驗模型，對寒區渠道工程凍融災變的水分場與溫度場鏈式作用機理進行了研究并提出更加合理的抗凍脹的工程措施，為今后的工程實施提供參考。

1 寒區渠道工程有限元模擬

1.1 有限元計算基本假定

試驗采用ABAQUS/Standard通用分析模塊設定模型參數以及施加各種類型的荷載，可提交并監視分析作業[5]。本文不考慮水、熱、以及力三場耦合的數值模擬，而是將凍土視為冷脹材料，對模擬過程采用合理的簡化，并假設渠基凍土是連續均勻的各向同性材料，將渠基土凍結的過程看作穩態熱傳導過程。

1.2 渠道凍脹數值模擬

比較原型試驗與數值模擬計算結果，采用4節點的平面應變單元劃分網格，選取渠基土從頂向下到15m位置，邊界界定離渠道坡3m，得到如圖1所示的渠道有限元網格。

圖1 渠道有限元網格

表1為凍土及其他材料參數，由表1可知，凍土的泊松比為0.35，混凝土襯砌板導熱系數為0.65W/(m·℃)，下層土體受外界的影響較小，其導熱系數較大。

1.3 溫度場及力場的模擬計算

圖2為渠基的溫度場分布。由圖2可知，渠道的不同位置，溫度不同，且陰坡的溫度梯度稍大于陽坡，與實際工程情況相符合。渠基土底部含水率高于渠道邊坡，溫度等值線越靠近底部越接近于水平直線，渠底的溫度梯度遠遠大于渠坡。陰坡的最大凍深為145.2cm，陽坡的最大凍深為133.1cm，渠底的最大凍深為144.8cm。在凍土兩側豎直段設置水平方向約束，并在模型上施加靜力。渠底基土產生的凍脹量最大，陽坡最小，最大凍脹變形發生在渠道底部，為12.31cm，渠底板和渠坡板在接近坡腳位置相互約束且凍脹量較小。

圖2 渠基的溫度場分布

2 渠道凍融原型試驗

2.1 試驗儀器及觀測方法

試驗用儀器及其作用見表2[6- 7]。

表2 試驗用儀器

在對地溫進行測量時，應自當年10月份進入凍結期開始，觀察每天3∶00、9∶00、15∶00、21∶00的土壤溫度并記錄最高、低氣溫值。凍脹力以及凍深的測量同樣自進入凍結期開始，每日測量不同凍深數據以及凍脹力的數值。距離渠道12m位置處設立埋深為2.5m的基準高程點，利用水準儀測量垂直凍脹位移，經緯儀測量水平凍脹位移量，觀測每日渠底、陽坡以及陰坡不同測點處襯砌體表面測量垂直和水平位移量矢量合成凍脹變形[8]。

2.2 試驗方案

原型試驗區位于新疆北屯灌區，平均土體凍深為2m，渠基土體為低液限粉土，防滲效果一般，歷年的最大凍深為2.6m，試驗區地下水位超過12m，相關土壤性能見表3。

表3 渠基土壤性能參數

試驗渠道為東西走向，設計流量為25m3/s，混凝土襯砌板為15cm等厚板，底板和坡板采用混凝土現澆。試驗開始前一周排空渠道內的水，渠道的總長度為65m，渠道深35m，邊坡系數1.0，地溫測段長250cm，渠道凍脹應力測段長435cm，土壤凍深測段長288cm，復合襯砌渠道凍脹變形測段長330cm。測試點分別在渠底中心(O)，設計水位點(S1、N1)、2/3設計水位點(S2、N2)以及1/3設計水位點(S1、N1)。

3 寒區渠道工程凍融災害鏈式試驗研究

3.1 渠道凍脹破壞機理及特征分析

土體水分不斷的遷移是導致渠基土發生不均勻凍脹的原因，水分發生運移的深度范圍小并且運移的量也比較少，如圖3所示凍結期渠基不同測點含水率沿深度變化的趨勢，由圖3可知，在0～55cm范圍內，渠基土體的含水率隨著深度的增加而增大，渠道底部的含水率最大，且陽坡的含水率要明顯小于陰坡的含水率。而在55～100cm范圍內，隨著深度的增大，土體的含水率逐漸減小。

渠基土體深度65cm處水分變化的數據見表4，由表4中數據可得，凍結期渠基土體水分變化最大值為15%，發生在渠底O處，水分向上遷移。而融水期水分變化量最大值也出現在O點，為12%，水分向下消散。

表4 渠基土體深度65cm處水分變化 單位：%

試驗測得襯砌渠道各測點凍脹變形量的最大值見表5凍脹量、凍脹力以及土體凍深觀測值所示，

由表5可得，陰坡測點S3和渠底測點O處凍脹變形量最大，分別為13.5cm和12.5cm，陽坡的凍脹變形量最小。凍脹力最大值出現在陰坡S3測點處，為185MPa，其次為渠底O測點處的165MPa，陽坡測點處的凍脹力要遠小于其他測點。在氣溫下降階段，最大凍脹力出現在陰坡底部向上1/3處，而隨著溫度的上升，凍脹應力也隨之減小，最終為負值。

表5 凍脹量、凍脹力以及土體凍深觀測值

利用TZY- 1型綜合測定儀，選取不同部位復合土工膜試驗單元，檢測復合土工膜變形和強度，經過一個凍融周期，得到復合土工膜的伸長率以及強度的變化值，見表6復合土工膜的強度及變形值，由表6可知，縱向抗拉強度損失率為10%，橫向抗拉強度最大損失值為4.5kN/m，發生在渠底部位，縱向抗拉強度最大損失值為5.2kPa，也發生在渠底；土工膜的伸長率減小了約10%，滿足土工膜強度減小最大的位置出現在渠底板與渠坡交接點向上1/3處。

3.2 渠道凍脹鏈式分析

通過分析實測渠基土體的溫度與水分數據來研究分析三場耦合作用下水分運移與凍土內部溫度間的相關性。表7為渠基10cm處水分運移量、凍結溫度以及渠道凍深值，由表7可知，在不考慮凍結期地下水對渠基土水分補給作用下，在凍結期，只有初始水分參與土體水分的運移，發生運移的深度范圍較小，水分向上聚集運移量為4.8%，凍結作用消失后平均水分向下消散的運移量為4.5%，其中+表示水分向上遷移；-表示水分向下消散。

表6 復合土工膜的強度及變形值

表7 渠基10cm處水分運移量、凍結溫度及渠道凍深

4 結語

通過對渠道凍脹破壞過程中各個因素間鏈式關系的研究，結合具體工程實例，對渠道凍脹破壞不同時期以及引起凍脹因素間的鏈式規律進行了分析，得到了以下結論：

(1)利用ABAQUS有限元分析軟件，對渠道的溫度應力場及變形場模擬以受力及凍脹規律進行了計算分析，通過合理簡化假設，選取合理的參數，將凍結期內凍土和襯砌板視為整體考慮受力變形的特性，發現渠道整體結構被向上抬起，渠道襯砌板表面主應力在渠道坡板往上1/3以及底板處較大，與原型試驗觀測相符。

(2)對渠道襯砌結構凍脹破壞鏈式機理進行了分析研究，發現凍脹現象是對地溫和水分分布作用的響應，土體水分的遷移主要受地溫和土體性質作用的影響，氣溫和地溫的變化趨勢直接影響混合襯砌渠道渠基土凍深的發展。凍深最大值以及渠道凍脹最大變形量都發生在渠道底部O點，渠基土水分含量隨土層深度的變化而變化。