板縫結構對U形襯砌渠道凍脹響應的原位監測

潘鑫　王紅雨　唐少容

摘要：為探索季凍區防滲襯砌渠道混凝土板縫對凍脹變形的影響，選取寧夏引黃灌區青銅峽市沙湖村高標準農田建設項目區混凝土襯砌渠道作為試驗點，在同一條渠道相近渠段上對傳統多拼式U形混凝土襯砌渠道的板縫結構和經過加固處理消除板縫影響的無板縫結構進行原位監測試驗，并分析處理一個完整凍融周期內兩種結構的凍脹量、法向凍脹力的監測數據。結果表明：在土壤溫度和土壤含水率相近情況下，消除板縫影響的無板縫U形混凝土襯砌結構凍脹量均小于傳統多拼式U形混凝土襯砌結構的，且前者的法向凍脹力分布更均勻。

關鍵詞：U形襯砌渠道：板縫結構;凍脹力;凍脹量

中圖分類號：TV698.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019. 04.034

寧夏引黃灌區晝夜溫差大，環境干燥，且受季凍區凍融循環的影響，導致農田輸水渠道凍脹破壞嚴重，已成為高標準農田基本建設的瓶頸[1-2]。據統計，40%的渠系建筑物和32%的渠道襯砌體受凍融而破壞這[3]。目前，對灌區農田輸配水渠道原位凍脹變形監測試驗相對較少[4-8].為探索季凍區防滲襯砌渠道混凝土板縫對凍脹變形的影響，通過對比分析凍融期寧夏引黃灌區青銅峽邵剛鎮沙湖村高標準農田建設項目區內有板縫結構和無板縫結構的U形襯砌渠道的凍脹量和法向凍脹力，研究板縫結構對U形混凝土襯砌渠道抗凍脹性的影響，為灌區U形混凝土襯砌渠道的設計提供指導和借鑒。

1 試驗區基本情況

試驗區位于青銅峽市邵剛鎮的河西灌區，該區域主要為普通灌淤土，土壤密度為1.5 g/cm，孔隙度為51.25%。試驗區年平均晝夜溫差約為13℃，極端最低氣溫為-23.3℃。試驗區的地表水資源主要來自降水，年降水量分布不均勻，導致每年地表徑流量差別較大，地表徑流平均深度為22.1 mm。該區域年降水量為180-200 mm，年水面蒸發量為1 100 -1 600 mm，降水量和蒸發量相差懸殊導致干旱，春季和冬季尤為突出。綜上所述，試驗區的渠道具有極高的凍脹破壞可能性。試驗區最大凍深為37.8 cm，凍融期間地下水埋深為1.7-2.0 m。經過多年觀測，試驗區在12月上旬開始結凍，在第二年2月下旬開始解凍，凍結時間為80-100 d。

監測所選渠道級別為斗渠，南北走向，渠底圓弧半徑為0.81 m，渠道縱坡降為111 500 - 1/2 000.渠坡傾角為200.渠道深度為1.20 m，渠道口寬為2.00 m。渠道混凝土襯砌板拼接方式為三拼和四拼交錯拼接，見圖1。襯砌板長1.5 m，寬0.5 m.板縫寬0.1 m。

2 多拼式U形混凝土渠道板縫結構及試驗力案

多拼式U形混凝土襯砌渠道板縫結構和無板縫結構試驗段選自同一南北走向的多拼式U形混凝土襯砌渠道，段長均為3.5 m。本次試驗各觀測指標監測周期為7-10 d/次，共12次。

2.1 試驗段板縫結構處理方案

兩試驗段分別為多拼式U形混凝土襯砌渠道板縫結構和無板縫結構。由于該渠道板縫因多年凍脹發生破壞而降低甚至喪失連接功能，因此板縫結構試驗段在該渠道上選取板縫完整的渠段，并直接在該試驗段布置試驗儀器，而無板縫結構試驗段在選取板縫渠段的基礎上，布置試驗儀器前用鋼筋和水泥砂漿連接襯砌板，使襯砌板間的連接更緊密，從而近似看成一個整體的無板縫結構，其處理方式見圖2、圖3。

在板與板間接縫處的中點兩側10 mm處各鉆直徑為20 mm、深度為30 mm的圓孔，再將鋼筋插入并用水泥砂漿封堵圓孔，鋼筋直徑10 mm.長120 mm.兩端彎折角度為900，彎折處長20-30 mm。待鋼筋布置完成，將水泥砂漿涂抹在鋼筋處并貫通連接，水泥砂漿厚度為15 - 20 mm。此結構固定了鋼筋，使其不因渠道襯砌板的凍脹位移而脫落或破壞，從而增加了襯砌體的整體性，使該連接方式更牢固。觀測發現：1 a后雖然襯砌板兩坡圓弧段坡腳處的鋼筋在水泥砂漿下發生了一定程度的錯位和變形，但上層水泥砂漿并未發生破壞，鋼筋也未暴露，故該處理方法暫時是牢固、安全的，但是保護層較薄且強度低，日后可能會發生破壞。

2.2 土壤溫度

土壤溫度是影響渠道凍脹破壞的主要因素。為了更科學地對比兩試驗段的凍脹情況，需要控制兩者的土壤溫度相近，故需兩試驗段臨近，以保證其受到太陽輻射的時間、強度和輻射角度基本一致[9]。本次監測選取的兩試驗段相距10 m，滿足土壤溫度相似的條件，土壤溫度采用熱敏電阻和數字萬用表觀測，分別在兩試驗段北側一端的渠道橫斷面上布置土壤溫度監測點，斷面上儀器布置點位如圖4所示，即在兩坡面距渠頂20 cm處、兩坡面距渠底三分之一渠深處，垂直襯砌板下10、20、30、50、70 cm深度處和渠底處垂直襯砌板下10、20、30、50、70、100 cm深度處分別布置熱敏電阻。各月不同測點的最大溫差見表1，各月不同測點的最大溫差平均值為1.03℃，最大溫差為1.77℃，可知兩試驗段的土壤溫度相近。

2.3 土壤含水率

土壤含水率是影響渠道凍脹破壞的另一主要因素。為了更科學地對比兩試驗段的凍脹情況，需要控制兩者的土壤含水率相近，故需兩試驗段臨近，以保證受環境和渠道過水量的影響相似。為此，用TDR時域反射儀對相距10 m的兩試驗段的東堤、西堤、渠底處土壤含水量進行監測[10]。在試驗段縱向1.5 m、距離渠頂0.3 m的東、西渠堤處、渠底處選平坦地塊，對其削平處理后各埋設1根水分測定管，水分測定管長1.5m，外露0.2 m。監測時將TDR探頭垂直放入水分測定管內至測點下深度分別為0 - 20、20 - 40、40 - 60、60- 80、80～100 cm處，同時用TDR反射計測得土壤含水率。該區域的最大凍深為37.8 cm.TDR時域反射儀無法準確測量凍土含水率，故選取深度為40 - 60cm（最大凍深以下）的土壤含水率進行對比。該深度的土壤水分向凍結區遷移，影響渠基土體的凍脹變形，對渠道襯砌板產生凍脹作用。

兩試驗段在凍融期內土壤含水率最大差值為1.80%，土壤含水率相差較小，可知兩試驗段土壤含水率相似，見表2。

2.4 凍脹量測量

凍脹量的測定方法為定位線法，測點布置方式見圖5 [12]。在渠道南北兩端的縱向板縫兩側10 mm處布置2對固定錨桿，兩坡圓弧段距離渠頂20 cm處各布置1對錨桿。錨桿長5m，外露1 m。在縱向1對錨桿距襯砌體表面10 cm處系上錦綸線，并且保持錦綸線與縱斷面平行。觀測中測量錦綸線到襯砌板面的距離變化量，即凍脹量。對渠道橫斷面共12個測點的凍脹量進行監測。

2.5 法向凍脹力測量

法向凍脹力用土壓力盒測量[11]。如圖6所示，在試驗段南、北兩端各設置5處測點，其中在試驗段兩坡弧線段坡腳處各設1個測點，兩坡距渠頂20 cm處各設1個測點，渠底處設1個測點。另外，在試驗段中點東、西兩坡弧線段坡腳處各設1個測點。土壓力盒在襯砌板的背面平行于襯砌板安裝，以土壓力盒受到的凍脹土壓力讀數表征襯砌板的法向凍脹力。

3 數據處理及分析

往年觀測發現，12月和1月渠道混凝土襯砌板變形及其下土體以凍脹變形為主.2月和3月以融沉變形為主。因此，在數據處理過程中，凍脹量和法向凍脹力均采用月平均值。這樣不僅反映了監測期內各月變形特點，而且還使數據更簡練清晰。

3.1 凍脹量數據的處理及分析

試驗段橫向有12個凍脹量測點，根據圖1所示，每個橫向測點在試驗段渠道縱向相同位置有18個縱向測點，各測點錦綸線到襯砌板面的距離取這18個測點距離的平均值。月平均凍脹量計算公式為

多拼式U形板縫結構混凝土襯砌渠道襯砌板平均凍脹量見表3（正值代表凍脹，負值代表融沉，下同）。多拼式U形無板縫結構混凝土襯砌渠道襯砌板平均凍脹量見表4。

從表3和表4中看出，板縫結構試驗段的凍脹量均大于無板縫結構的。

最終凍脹位移代表襯砌板在整個凍融循環期間總的位移量。從表5中的最終凍脹位移量看，除測點6、測點7、測點8外，板縫結構試驗段最終位移量大于無板縫結構的。

無板縫結構試驗段測點6、測點7、測點8的最終凍脹位移大于板縫結構的，其原因推斷如下：這3個測點位于U形渠道的渠底，在結構中處于承受較大壓力的位置，無縫結構的混凝土板已連接為一個整體結構，受凍脹力作用會產生較大的凍脹量：而有縫結構具有非整體性，板間的接縫部分釋放了凍脹力，而以接縫開裂的方式取代一部分凍脹量，因此平均凍脹量較小。盡管如此，無縫結構在U形橫斷面上的凍脹變形比有縫結構的分布更加均勻，能適當減少渠道襯砌各部位間凍脹變形的差異，最終起到控制結構凍脹變形的作用。 綜上所述，U形襯砌渠道板縫結構相較無板縫結構更易于產生凍脹破壞。由此可知，板縫是U形混凝土襯砌渠道凍脹情況下的薄弱點，U形混凝土襯砌渠道襯砌體板縫數量越少，其整體性越好，襯砌板的凍脹量越小，抗凍脹性能越優。

由表6和表7可知，66.7%的U形混凝土襯砌渠道無板縫結構的法向凍脹力小于板縫結構的。此現象雖然可以驗證無板縫結構抗凍脹性更優，但還有33.3%的數據與其他數據的結論不同，因此還需對法向凍脹力的分布情況進一步分析驗證。

從每月法向凍脹力分布來看，比較各月U形混凝土襯砌渠道板縫結構和無板縫結構的法向凍脹力曲線（見圖7至圖10），發現無板縫結構的曲線比板縫結構的曲線更平穩，說明其法向凍脹力分布更加均勻。

至于加固處理后的無板縫結構渠道有33.3%的凍脹力監測數據大于有板縫結構的，可能由以下原因造成：一是土壓力盒為人工填埋，導致埋坑中的土壤孔隙率不同，土壓力盒讀數會出現一定偏差：二是由表6和表7可知，此現象多發在兩坡弧線段坡腳的測點2和測點4，因U形混凝土襯砌渠道在此處發生較大的凍脹位移[6]，而多拼式U形混凝土襯砌渠道試驗段在板與板的接縫處強度較低，容易產生較多裂縫甚至開裂，裂縫處變形較大，土對板的約束減弱，故有板縫的多拼襯砌板土壓力盒讀數會小一些。當然，對這一現象的解釋還應進一步通過試驗研究證實。

綜上所述.U形混凝土襯砌渠道無板縫結構襯砌體的凍脹力大小和凍脹力分布更優，其抗凍脹的性能更好。

4 結論

針對寧夏引黃灌區輸配水U形防滲渠道多為混凝土板拼裝接縫而成、板縫附近襯砌板凍脹破壞較嚴重的現狀，通過設置有板縫的傳統多拼混凝土襯砌結構和采取工程措施消除板縫后的無板縫混凝土襯砌結構的原型監測試驗，定量化研究了板縫對U形渠道混凝土襯砌結構抗凍脹性能的影響，并對監測數據進行了整理和分析。

（1）同一U形混凝土襯砌渠道相近渠段的土壤溫度和土壤含水量相近，監測試驗中獲取的兩種混凝土砌護結構的數據具有一定的可比性。

（2）多拼式U形混凝土襯砌渠道板縫結構的凍脹量均大于無板縫結構的，且在12個測點中9個無板縫結構測點最終位移量小于板縫結構的。

（3）多拼式U形混凝土襯砌渠道板縫結構66. 7%的法向凍脹力監測數據大于無板縫結構的，且無板縫結構法向凍脹力的分布更均勻。

（4）多拼式U形混凝土襯砌渠道無板縫結構相較于傳統多拼式U形混凝土襯砌渠道的板縫結構，其抗凍脹性能更優。板縫是U形混凝土襯砌渠道的薄弱環節，是影響渠道抗凍脹性能的關鍵因素，且其會影響襯砌體的整體性。建議在渠道襯砌體結構設計時，在保證渠道施工方便的前提下，盡量減少混凝土襯砌板縫，且保證預留板縫的施工質量。為此，課題組正在研究有關板縫的榫接構造與施工工藝。

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【責任編輯許立新】