寒區長距離輸水渠道膜袋混凝土襯砌結構優化試驗研究

易斌華，鄒 芳

(1.江西富邦建設有限公司，江西 九江 332400；2.江西長華建設工程有限公司，江西 南昌 330100)

在我國北方寒區，對灌溉渠道采取一定的防凍脹工程措施，對降低凍脹破壞，提高渠道的使用年限具有重要作用[1]。近年來，我國在寒區渠道保溫防凍脹材料和技術研究方面有了突破性進展，開發了一系列新工藝和新技術，并在渠道防凍脹方面取得了顯著的效果[2]。膜袋混凝土是利用高壓泵將流動性混凝土灌入膜袋，混凝土中多余的水分通過膜袋表面的孔隙滲出并凝固成穩定的結構[3]。由于膜袋混凝土具有便于操作、省工省時、施工速度快的優勢，近年來在北方寒區渠道襯砌結構設計施工中得到廣泛應用[4]。相關的理論研究和工程實踐顯示，膜袋混凝土相對于普通混凝土在抗凍脹變形能力方面有顯著增強[5]，但是在灌區取代襯砌建設方面尚沒有理論和實踐支持。因此，本文以某灌區渠道為工程背景，利用實驗研究的方法，對不同膜袋混凝土襯砌結構形式的抗凍脹能力展開試驗研究，為獲得具有最佳防凍脹能力的襯砌結構形式提供支持。

1 實驗方案

1.1 實驗渠段概況

某灌區是一個水資源短缺的大型灌區[5]。灌區現有總長155km的灌溉渠道，其中干渠2條、支渠10條和斗渠20條，有效灌溉面積約2800hm2。灌區屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷多雪、夏季炎熱多短時強降雨、年平均氣溫8.7℃，極端最高氣溫41.2℃，極端最低氣溫-38.8℃。灌區多年最大凍土深度1.2m，封凍期為11月中下旬至次年4月。研究渠段為灌區的新建試驗渠段。

1.2 實驗方案與觀測項目

根據某灌區的實際情況及相關工程經驗，設計了12、15、18cm 三種不同襯砌厚度以及有、無防滲膜2種不同類型的膜袋進行交叉試驗[6]，共獲得6種不同的試驗方案，見表1。其中，每個試驗方案的渠段長度為12m，全部試驗渠段的總長度為72m。根據試驗目的，設計了2個主要觀測項目，分別是表面凍脹破壞觀測以及凍脹量觀測。

表1 試驗方案設計

比較嚴重的凍脹破壞會引起渠道襯砌表面的明顯變化[7]。因此，研究中需要對渠道襯砌進行觀測，其主要內容是觀測是否存在鼓脹、隆起以及破碎等現象。每15d進行一次觀測并做好相應的記錄。

為了進行凍脹量的實測，試驗渠段施工過程中，在觀測部位設置高程觀測點，并通過觀測點在凍脹作用下的高程變化進行凍脹量的推算[8]。每種方案的試驗渠段共提前埋設4個高程測量基準點，其位置在兩側渠坡的上部和下部1/3部位。高程測量采用水準儀和四等水準標準測量，測量時間與表面觀測時間同步。如果由于施工原因高程點存在比較顯著的鼓脹和沉降變形時應該舍棄，以保證結果的精度和研究成果的嚴謹性，高程布置點如圖1所示。

圖1 測量高程點布置方案示意圖

2 試驗觀測結果與分析

2.1 襯砌表面觀測結果與分析

試驗過程中對不同方案下的渠道襯砌進行表面觀測，觀測始于2017年12月7日，結束于2018年4月13日。在觀測期內，渠內存在部分積水且已經結冰，由于水面較低，并不影響觀測的進行。結果顯示，在觀測期內膜袋混凝土襯砌表面沒有明顯的鼓起、上抬、開裂、錯位和架空等現象，襯砌表面基本保持完整，僅方案6的東岸存在一處襯砌隆起現象，其余部位均未發生凍脹破壞。因此，由表面觀測結果可知，試驗渠段的渠道襯砌在正常使用條件下，不會發生凍脹破壞，渠道的整體性完整[9- 15]。

2.2 凍脹量觀測結果與分析

根據凍脹量的計算結果繪制出如圖2所示的凍脹量隨時間變化的曲線。由圖2可知，研究渠段東西兩岸的凍脹量并無明顯差異，究其原因，主要是試驗渠段為南北走向，因此兩側渠坡在接受太陽輻射能方面并沒有顯著差別。從統計結果來看，各方案下的凍脹量的最大值為6～11cm。其中，方案5的凍脹量最大，為11cm，方案1的凍脹量最小值為5.7cm。渠坡的凍脹量分布主要集中于渠坡的上部1/3部位和下部的1/3部位，且渠坡下部的1/3部位的凍脹量總體較大。從時間序列來看，各方案下的凍脹量隨著時間的推移逐漸增大，并于2018年2月中旬到下旬達到最大值，之后凍脹量逐漸減小。這說明，渠道的凍脹量主要受氣溫因素的影響，與當地的平均氣溫變化特征基本一致并呈現出一定的滯后性。

圖2 凍脹量隨時間變化曲線

2.3 防滲膜對凍脹量的影響

混凝土材料屬于一種多相符合材料，具有抗壓強度大、抗拉強度低、脆性大的特點，因此在混凝土結構研究中主要關注結構裂縫問題。土工膜是以高分子聚合物為原料制成的一種新型防滲材料，可以利用其良好的阻水性能，阻斷灌溉渠道的襯砌結構與基土之間的漏水通道。由于施作土工膜會顯著改變渠坡內部的滲流與水分遷移特點，也將對襯砌凍脹特征造成一定影響。因此，以研究中的觀測數據為基礎，整理出相同膜袋混凝土襯砌厚度條件下的渠道凍脹量，結果如圖3所示。由圖3可知，防滲膜對渠道凍脹量存在比較顯著的影響，在膜袋混凝土襯砌厚度不變的情況下，施作防滲膜對減小凍脹量存在顯著作用。從具體數值來看，膜袋混凝土襯砌厚度為12、15、18cm條件下，施作防滲膜時，凍脹量分別減小48.07%、48.65%和18.08%。從減小幅度上看，當膜袋混凝土襯砌厚度較小時，施作防滲膜對減小凍脹量的作用十分明顯，當膜袋混凝土襯砌厚度較大時，施作防滲膜對減小凍脹量的作用不太明顯。因此，在膜袋混凝土襯砌厚度較小時，推薦施作防滲膜。

2.4 襯砌厚度影響的結果分析

渠道凍脹的主要因素是渠道基土內所含水分凍結產生的凍脹力作用。由于渠道膜袋混凝土襯砌板厚度的增加會使襯砌結構的重量明顯加大，這必然會對基土凍脹力產生一定的抵消作用，從而影響到凍脹量。因此，基于凍脹量觀測數據繪制出如圖4所示的不同厚度襯砌結構下的凍脹量對比結果。由圖4可知，膜袋混凝土襯砌板的厚度增加可以在一定程度上減小凍脹量，但是效果并不理想。在有無防滲膜條件下，襯砌板厚度為12cm時的凍脹量最大，但是厚度15、18cm襯砌板條件下的凍脹量減小幅度并不大，特別是厚度超過15cm以后，襯砌板厚度對凍脹量的影響極為有限。因此，在灌區防滲施工中，推薦采用厚度為15cm的膜袋混凝土襯砌板。

圖3 不同位置凍脹量對比分析

圖4 不同厚度凍脹量對比分析

3 結語

膜袋混凝土不僅具有良好的抗拉性能，而且比普通混凝土襯砌板在一定程度上具有更好的防滲作用，目前膜袋混凝土技術被廣泛應用到渠道襯砌中。本文采用試驗的方法對不同膜袋混凝土厚度和防滲膜對灌溉渠道襯砌凍脹的影響進行研究，根據研究結果獲得最佳膜袋混凝土襯砌設計方案，可以為今后的渠道襯砌工程提供參考依據。當然，由于觀測試驗的條件限制，僅對凍脹量的大小進行測定，而凍脹力大小、渠基下凍深等尚未有準確的數據提供，在今后的研究中需要更多的數據支持，以求獲得更為精準的研究成果。