U形渠道凍脹監測試驗研究

魏 超

（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 試驗區域的選擇

選取北方位于洪積與沖洪積平原交匯區域的整體式U型渠道——新疆溫宿縣灌區農田水利基本建設項目U型砼板防滲渠道為觀測渠道，溫宿縣地處新疆西部塔里木盆地以北，呈典型大陸性干旱氣候。該渠道全長13.5 m，襯砌結構為整體式襯砌，試驗段渠基土測試結果表明，土壤中直徑在0.1 mm～0.5 mm的顆粒在總含量中占比85.4%，根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999）可以判定區域土壤為級配不良級細砂。渠道所在區域主要表現為泄湖相沉積，水質條件不良，地下水平均埋深1.6 m，水礦化度較高。新疆溫宿縣灌區農田水利基本建設項目區內年平均氣溫7.9℃，1月～2月為最冷時段，該時段內平均氣溫為-7.8℃，極端最低溫度為-24.9℃，日照時間長，農業發展主要以人為灌溉方式為主，灌溉用水包括地表水和地下水。試驗觀測時間定為2018年11月1日～2019年2月29日。

2 試驗方案設計

2.1 試驗儀器

本試驗在模擬整體式U型混凝土渠道凍脹過程并對渠道不同部位渠基土凍脹量、地溫、凍脹力等進行觀測和數據采集。

U型混凝土渠道凍脹的監測與試驗所需觀測儀器主要有凍脹計、水準儀、數字萬用表、壓力盒等。U型渠道凍脹監測試驗中地溫與凍深主要布置于襯砌段的中部，而凍脹監測布置于渠底，并在試驗渠段兩端固定錨桿，以預期凍脹量配置為依據設置鋼絲，并確保鋼絲始終處于拉直狀態，與襯砌板平行放置，以控制鋼絲變形引起的試驗誤差，依靠錨桿與鋼絲的配置完成凍脹監測，從而控制因鋼絲變形所導致的試驗誤差[1]。凍脹監測試驗過程中，在渠基土和襯砌板接觸面防止壓力盒，并確保壓力盒受壓面與襯砌板背向平行，不同結構下觀測橫斷面壓力盒分布數量應為3個～5個，凍脹計及土壓力盒參數取值見表1。

圖1 U型渠道地溫與凍深觀測設計

表1 傳感器參數

2.2 地溫監測

U型渠道渠系土地溫監測采用數字萬用表和熱敏電阻，將熱敏電阻分別埋設于渠道底部、陰坡陽坡坡腳及坡板以上15 cm處。具體埋設過程中，從埋深深度最大處開始，通過取土鉆土方式順次進行熱敏電阻在不同深度土體內的埋設，完畢后填土夯實。

2.3 凍深監測

U型渠道凍深監測試驗主要使用凍土器，外管和內管是其中主要的測量配件，根據裝水內管埋設后水的凍結長度進行凍深測量值的確定。凍土器埋設方式與壓力盒相同，而且凍土器埋設必須在渠基土凍結前完成。采用鋼絲法進行U型渠道凍脹量的測量與監測，先確定試驗渠段基標準定位測點（圖2），設定好錨桿后刻槽，再固定好監測用鋼絲，使用游標卡尺進行鋼絲和測點間垂直距離的測量以確定不同結構U型渠道凍脹量。

U型渠道凍脹應力測量主要通過壓力盒完成，在本次試驗凍脹應力觀測方案下，應在U型渠道底部、陰坡和陽坡坡板與弧板接合處設置壓力盒，并與襯砌板保持平行，埋設深度距坡面15 cm，并在埋設過程中盡量減少對原狀土的擾動與破壞。

圖2 整體式U型渠道凍脹觀測布置

3 試驗觀測及數據分析

試驗開始后，每間隔30 min進行一次渠基土凍脹量、土壓力盒及渠基土內溫度感應器數據的采集與記錄。

3.1 凍脹量

采用千分位游標卡尺、水準儀、經緯儀進行U型渠道襯砌結構凍脹變形程度的測定，具體而言，先在渠道外側4.5 m處設置2.0 m深的永久性高程基準點，用混凝土澆筑后做好標記，并用水準儀、經緯儀進行凍脹量測量以及渠頂渠底水平位移、垂直位移的測量，為消除基準點基土凍脹變化對觀測項目的影響，全部測點高程均應以該基準點為基礎。采用機械百分表進行渠底垂直位移的測定，為進行縱向觀測，應先預埋固定錨桿，再通過鋼絲測量法進行縱向凍脹量測量，觀測數據精度高達0.1 mm。在各觀測斷面固定錨桿頂端4.5 cm處與混凝土板平行的位置按3 mm直徑尺寸打孔，在各固定錨桿用細鋼絲穿孔，鋼絲另一端與彈簧綁扎，確保鋼絲位置的固定，且與混凝土面板構成平行斷面。各測點至鋼絲的垂直距離用分度1 mm的游標卡尺測量，測得的數值就是各測點混凝土板凍脹變位值。

圖3 陽坡渠道凍脹量監測結果

圖4 陰坡渠道凍脹量監測結果

由圖3可知，2018年11月8日U型混凝土渠道陽坡直段渠基土開始出現初始凍脹位移，從2018年11月8日～2019年2月29日共持續112 d，其中凍脹位移＞1 mm的天數為36 d，最大凍脹位移量1.17 mm出現在2019年1月12日；陽坡弧段渠基土初始凍脹位移出現在2018年11月11日，凍脹位移持續天數113 d，最大凍脹位移量1.01 mm出現在2019年1月20日?？傮w而言，弧段處渠基土凍脹位移量比直段處大，但在凍結初期，弧段處渠基土凍脹量與直段處相差并不大，究其原因，主要是因為凍結初期渠基土溫度始終在0℃左右變動，渠基土凍脹情況并不穩定。

由圖4可知，U型渠道陰坡直段渠基土初始凍脹位移開始出現在2018年11月4日，持續時間為112 d，凍脹位移量＞1 mm的天數為47 d，最大凍脹量1.39 mm出現在2018年12月19日；陰坡弧段渠基土初始凍脹位移同樣出現在2018年11月4日，凍脹位移持續天數114 d，最大凍脹位移量1.16 mm出現在2018年12月27日。結合圖3和圖4可知，與陽坡渠基土相比，陰坡渠基土受太陽照射少，凍脹量明顯比陽坡渠基土凍脹量大。

陰坡弧段渠基土平均凍脹量最大，陽坡弧段出渠基土平均凍脹量次之，陰坡直段處渠基土平均凍脹量再次之，陽坡直段渠基土平均凍脹量最小，渠基土溫度和凍脹量存在直接聯系，整體上看，溫度降低導致渠基土凍脹量升高[2]。

表2 渠基土地溫情況統計

3.2 地溫

渠基土溫度變化對U型渠道凍脹量也存在一定程度影響，隨渠基土地溫的降低，凍脹量隨之增加。本次試驗在陰坡和陽坡兩側渠道軸線對稱安裝凍脹儀，陰坡渠基土整體溫度低于陽坡（表2），陰坡渠基土凍脹量也整體大于陽坡。就同一坡面而言，渠道直段地溫高于弧段，直段凍脹量小于弧段。渠基土溫度最低值和凍脹量最大值均出現在11月中旬～次年1月底這一區間。

4 結論

渠道是農田灌溉系統基本構成單元，在農田灌溉中發揮著重要作用，渠道使用效率能否順利發揮關系到灌溉質量的高低。在我國，受不利氣候條件等的影響，部分地區灌溉渠道會出現凍脹破壞現象，影響到渠道系統使用效率的正常發揮。文章選取具體渠道進行凍脹情況監測，并進行了整體式U型渠道凍脹情況變化及影響因素的對比分析，旨在為整體式U型混凝土渠道凍脹破壞的預防與處理提供參考。