坡度對(duì)季凍區(qū)梯形渠道抗凍脹性能的影響試驗(yàn)研究

周富強(qiáng)

(新疆瑞昶設(shè)計(jì)院有限公司，烏魯木齊 830000)

1 概 述

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)文明古國(guó)，農(nóng)田水利歷經(jīng)幾千年之久，留下了許多水利技術(shù)和至今仍發(fā)揮作用的水利工程設(shè)施。但是，受多種因素的影響，我國(guó)的農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍舊滯后于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，也成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在面臨水資源極度短缺和水旱災(zāi)害頻繁發(fā)生的大環(huán)境下，提高水資源的利用效率，充分發(fā)揮有限水資源的作用就顯得尤為重要[1]。其中，渠道防滲是提高我國(guó)灌區(qū)用水效率的重要手段，從當(dāng)前的工程實(shí)踐來(lái)看，采取防滲措施可減少七成以上的渠道輸水滲漏損失[2]。同時(shí)，提高渠道的運(yùn)行年限，對(duì)降低農(nóng)田水利工程成本，激發(fā)企業(yè)和農(nóng)戶投身農(nóng)田水利建設(shè)的積極性具有重要作用。在我國(guó)北方寒區(qū)，凍脹破壞是影響渠道滲漏和使用年限的重要因素，是制約灌區(qū)輸水工程綜合效益發(fā)揮的關(guān)鍵性技術(shù)難題，已經(jīng)受到水利工程界的廣泛關(guān)注[3]。目前，渠道防滲襯砌抗凍脹的理論研究和工程實(shí)踐領(lǐng)域已經(jīng)取得十分豐碩的成果，主要表現(xiàn)為使用不同形式的渠道襯砌防凍脹結(jié)構(gòu)形式，采取保溫板等特殊的襯砌結(jié)構(gòu)保溫措施，建立渠道襯砌結(jié)構(gòu)防凍脹數(shù)學(xué)模型等。總體來(lái)看，該領(lǐng)域的研究主要集中于襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而渠道幾何特征對(duì)凍脹效果影響的研究不多[4]。渠道基土和外界環(huán)境之間的水熱交換，也是渠道凍脹情況的主要影響因素，而梯形渠道的坡度必然會(huì)對(duì)基土和外界環(huán)境之間的水熱交換產(chǎn)生明顯影響。基于此，本次研究以某灌區(qū)的3#支渠為工程原型，利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法展開坡度對(duì)季凍區(qū)梯形渠道抗凍脹性能的影響研究，以期為季凍區(qū)梯形輸水渠道設(shè)計(jì)建設(shè)提供技術(shù)性建議。

2 材料與方法

2.1 工程背景

本次研究的原型工程為某灌區(qū)3#支渠。該支渠主要負(fù)責(zé)下游高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的供水任務(wù)，試驗(yàn)田的主要農(nóng)作物為玉米，每年渠道輸水3～5次，沒(méi)有冬季輸水的任務(wù)要求。試驗(yàn)段渠道的原始設(shè)計(jì)為梯形斷面，底寬為2.4 m，渠深1.2 m，渠坡坡度為0.5。試驗(yàn)區(qū)屬于溫帶干旱地區(qū)，極端最高氣溫為36.9℃，極端最低氣溫為-24.5℃，晝夜溫差一般在18°左右，年均降水量月206 mm，多集中于6-9月份。冬季土壤的凍結(jié)深度約0.7 m，最大凍結(jié)深度為1.04 m，凍結(jié)時(shí)間為110 d左右。試驗(yàn)區(qū)的土壤類型為普通灌淤土，表層分布有少量的鹽化灌淤土，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，試驗(yàn)區(qū)土壤容重約1.5 g/cm3，孔隙度約51.23%。

2.2 試驗(yàn)方案

此次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要目的是探索渠道坡度對(duì)凍脹量的影響，并獲取其變化規(guī)律，以便對(duì)相關(guān)工程的設(shè)計(jì)和施工提供必要的技術(shù)支持。結(jié)合工程實(shí)際和當(dāng)前梯形斷面渠道建設(shè)的相關(guān)施工規(guī)范和要求，在保持研究渠段渠底寬2.4 m、渠深1.2 m兩個(gè)參數(shù)不變的情況下，設(shè)計(jì)0.3、0.5、0.7、0.9、1.1等5種不同的渠道坡度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，每種坡度渠道試驗(yàn)段的長(zhǎng)度為5 m，試驗(yàn)段總長(zhǎng)度為25 m。通過(guò)對(duì)不同試驗(yàn)方案下的渠道各個(gè)部位的凍脹量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和對(duì)比分析，以獲取最佳坡度[5]。

2.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，選擇3#支渠樁號(hào)Z3+150～Z3+175段為本次試驗(yàn)的試驗(yàn)渠段。該試驗(yàn)渠段大致為東西走向，渠道坡降為1/2 000。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，渠道凍結(jié)之前，渠底0～60 cm范圍內(nèi)的土壤含水率最大，陽(yáng)坡的土壤含水率最小。在60 cm以下的凍結(jié)范圍內(nèi)，渠道陰坡的含水率最大，渠底的含水率最小。

鑒于凍脹量是渠道凍脹破壞最直接的表征，因此試驗(yàn)研究中主要對(duì)試驗(yàn)段渠道陰坡、陽(yáng)坡和渠底的凍脹量進(jìn)行監(jiān)測(cè)[6]。試驗(yàn)過(guò)程中的凍脹量采用鋼絲法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其具體過(guò)程如下：先鉆孔埋設(shè)鋼筋樁的保護(hù)管與鋼筋樁，保證保護(hù)管能夠與渠道的基土同步變形，而鋼筋樁不會(huì)隨著凍土變形；然后在鋼筋樁距離監(jiān)測(cè)表面一定高度進(jìn)行刻槽，并拉設(shè)鋼絲；然后在監(jiān)測(cè)表面設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行凍脹量的監(jiān)測(cè)，并記錄好數(shù)據(jù)[7]。根據(jù)相關(guān)研究成果，渠道坡面凍脹量最大，破壞最嚴(yán)重的部位位于距離渠底1/3渠深處，因此研究中以該部位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)衡量渠道坡面的凍脹變化特征；渠底凍脹量最大的部位位于渠底中央，因此將渠底凍脹量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)定在渠底中部[8]。試驗(yàn)段的襯砌施工完工于2020年11月25日，并于當(dāng)日開展凍脹量監(jiān)測(cè)，歷時(shí)36 d，至2021年12月10日結(jié)束。試驗(yàn)期間，每3 d測(cè)量一次凍脹量。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 陽(yáng) 坡

利用上節(jié)提出的方法，對(duì)不同試驗(yàn)方案下渠道陽(yáng)坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的凍脹量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得不同方案下陽(yáng)坡凍脹量隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果見圖1。由圖1可知，不同方案下渠道陽(yáng)坡的凍脹量變化特征基本一致，也就是隨著時(shí)間的推移凍脹量迅速增大之后逐漸趨于穩(wěn)定。由此可見，在凍脹發(fā)生的前20 d凍脹對(duì)襯砌的作用比較明顯，是強(qiáng)化工程防護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期。從不同渠道坡度的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，在相同試驗(yàn)時(shí)間不同坡度渠道的凍脹量存在比較明顯的差異，且凍脹量隨著坡度的減小呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征，當(dāng)坡度為0.7時(shí)的凍脹量最小，但是坡度0.5和坡度0.7的試驗(yàn)結(jié)果極為接近。因此，從陽(yáng)坡的凍脹量試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，坡度應(yīng)該以0.5～0.7為宜。考慮到坡度越小，渠道的占地面積越小，且工程的成本也越低，因此在實(shí)際工程中推薦采用0.5的渠道坡度。

圖1 陽(yáng)坡凍脹量變化曲線

3.2 陰 坡

利用上節(jié)提出的方法，對(duì)不同試驗(yàn)方案下渠道陰坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的凍脹量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得不同方案下陰坡凍脹量隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果見圖2。由圖2可知，在相同的條件下渠道陰坡的凍脹量大于陽(yáng)坡的凍脹量。原因是陽(yáng)坡可以接受更多的太陽(yáng)輻射能，因此基土溫度整體偏高，因此凍脹量也相對(duì)較小。從凍脹量的變化規(guī)律來(lái)看，陰坡和陽(yáng)坡基本相同，也就是隨著凍脹時(shí)間的延長(zhǎng)，凍脹量迅速增加最終趨于平穩(wěn)。從不同坡度試驗(yàn)方案的結(jié)果對(duì)比來(lái)看，當(dāng)坡度為0.7時(shí)的凍脹量最小，但是坡度0.5和坡度0.7的計(jì)算結(jié)果比較接近。

圖2 陰坡凍脹量變化曲線

3.3 渠 底

利用上節(jié)提出的方法，對(duì)不同試驗(yàn)方案下渠道渠底監(jiān)測(cè)點(diǎn)的凍脹量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出不同方案下渠底凍脹量隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果見圖3。由圖3可知，不同方案渠道渠底的凍脹量也隨著凍脹時(shí)間的推移而迅速增加并逐漸趨于平穩(wěn)。與陽(yáng)坡和陰坡不同的是，不同試驗(yàn)方案下渠道底部的凍脹量比較接近，說(shuō)明渠道坡度對(duì)渠底的凍脹量影響并不明顯。

圖3 渠底凍脹量變化曲線

4 結(jié) 論

本次研究以具體工程為依托，利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法研究了坡度對(duì)梯形渠道凍脹量的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示，梯形渠道的坡度對(duì)渠底凍脹量的影響并不明顯，對(duì)渠道陽(yáng)坡和陰坡的凍脹量存在顯著影響。隨著坡度的減小，陽(yáng)坡和陰坡的凍脹量均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點(diǎn)，且渠道坡度為0.7時(shí)的凍脹量最小。鑒于坡度為0.5時(shí)的凍脹量與坡度為0.7時(shí)比較接近，而渠道的坡度越小，工程的經(jīng)濟(jì)性越強(qiáng)，因此在具體工程中建議采用0.5的坡度。當(dāng)然，渠道工程設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的問(wèn)題，受到多種因素的影響，需要進(jìn)行綜合分析，最終確定最佳的設(shè)計(jì)方案。