| 标题 | 严寒地区冬季运行渠道冻胀融沉特性原型试验研究 |
| 范文 | 周富强 吴艳 何宁 周成 张桂荣 戴灿伟 摘要：针对新疆等西北严寒寒冷地区渠道冬季延长供水或全冬季供水，造成渠道底部残余水未能及时排除而结冰或者渠坡结冰的情况下，开展混凝土衬砌渠道原位野外冻胀融沉试验研究，结果表明：冻胀期间沿渠坡面表现出“法向膨胀、切向收缩”的变化趋势，水面线附近的法向变形量在冻胀初期很快完成，渠道底部的冻胀变形则呈缓慢持续增加的趋势；春季，渠坡法线方向均表现出融沉变化趋势，渠坡底部法向的融沉量及融沉速率较大，且其融沉量远大于冻胀量。 关键词：渠道；冻胀；融沉；法线；切向；变形 中图分类号：TV698文献标志码：A文章编号：1672-1683-（2015）-002-0005-03 《渠道防渗工程技术规范》（SL 182004）规定：冬季行水渠道，在负温期宜连续行水，并保持在冬季最低水位以上运行，且冬季停水后渠道内不应积水。然而新疆等西北严寒寒冷地区为满足和缓解日益增长的用水需求，渠道冬季延长供水或全冬季供水运行，造成渠道底部残余水未能及时排除而结冰、渠坡结冰的问题比较突出，由此产生较大的冻胀量，造成渠道破坏的现象十分严重，不仅增加了维修成本，制约工程效益的发挥，而且浪费了宝贵的水资源。 关于渠道冻胀融沉的环境影响因素，很多科技人员已进行了充分的研究并取得了相关研究成果：相同的冻结温度下，如果保持压实度不变，随着含水率的增加土样的冻胀率也一直增加[1]；含水率越大，整体沉降变形越大[2]；冻结后土壤表面的含水量并没有持续增加，反而有减小的趋势[3]；冻融经常会在一定程度上使土的孔隙比减小，因此冻融对于土具有击实（或者压密）相似的作用。后来的研究还发现，对于松散土，冻融会使孔隙比降低，从而增加其密实度，而对于密实土则相反[4]；冬季渠道底部结冰，不可避免的受到积雪的影响，已有研究表明：积雪覆盖土壤比裸地平均地温高出1 ℃，土壤体积含水率（土壤剖面0～100 cm内）高出2%[5]。王正中等研究认为对于渠内有水时渠底一般不发生冻害，渠底衬砌板在水面以上部分与典型的渠坡衬砌受力基本相似[6]。 2试验设计及过程 2.1试验设计 严寒寒冷地区混凝土衬砌渠道在渠底或渠坡结冰情况下的冻胀变形，是由于渠道水体和渠基土温度降至冰点以下，渠道水体结冰或土体原孔隙中的部分水结冰体积膨胀，以及土壤水分向表面迁移、聚集，并冻结膨胀所致。新疆等严寒寒冷地区修建的供水渠道，虽然采取了换填砂砾料等防冻害措施，但依然存在不同程度地冻害，开展渠道原位野外冻胀融沉的变形特性的试验研究，不仅要考虑土质、土壤水分、温度等环境影响因素，还要考虑渠基土壤密实度、渠内冰体推力等实际运行工况的影响。为此修建了一条全长36 m的原位试验梯形渠道。该试验渠道渠基主要由50 cm厚的黏土构成，上覆30 cm砂砾料，密实度1.50～1.84 g/cm3，渠坡及渠底为混凝土硬质岸坡，渠道右侧紧靠山体，坡比1∶1.3，渠高0.6 m，渠底宽0.2 m，左侧渠坡坡比1∶1.3，渠高1.5 m，采用一次性混凝土板衬砌结构，横缝间距1 m，板厚6 cm。 冰面以下的变形监测以常规仪器为准，以渠坡为参考面，在硬质混凝土渠道距渠底30 cm、60 cm各安装了4组冻胀融沉计，监测沿渠坡表面法向及切向的变形；此外还埋设了10支湿度计（含水率） 、16支温度计、1支气温计，以监测土壤水分、地温及环境气温。渠道冰面以上的渠坡变形采用三维激光扫描仪进行监测。典型断面监测仪器布置见图1。 2.2试验准备过程 在基准点周围2～3 m，冻结深度以下0.5 m的范围内换填砂砾石予以夯实，基准点周围表面做防渗处理，作为校核点。2013年11月20日，开始修建试验渠体并安装冻胀融沉计、土壤水分计等监测仪器，2014年12月23日，渠道修建完毕，搭建保温棚，实施自动化观测；2014年1月4日，渠道注水至60 cm，拆除保温棚。春季渠冰融化，未采取排水措施，试验截至日期2014年4月初。 3冻胀融沉影响因素分析 3.1环境气温及地温资料 2014年1月、2月份，月均气温分别为-11.2 ℃、-14.9 ℃，属典型的严寒气候，日均气温-21.8～-1.0 ℃，日均负温累计天数为 67 d，试验期间冻结指数683.1 ℃；2014年3月13日以后气温基本在0 ℃以上，土壤处于冰冻融解期，随后随着天气的回暖，负温累计值开始减小，日均负温累计见图2。试验段当地最大冻土深度1.5 m，冰层冻结厚度一般在60～70 cm。 渠道注水后，参照《水工建筑物抗冰冻设计规范》（GBT 50662-2011）有关冰厚的计算可知，渠道注水深度小于理论计算的冰层厚度68 cm，即渠道内水体全部结成冰。渠道冻结深度较注水前增加约6 cm，后期冻结深度基本维持不变。由于结冰体的存在，相当于在渠基土表面覆盖了一层保温材料，因此有效的提高了水面线以下渠基土内部的温度，降低了土体的冻结深度及最终冻胀量，野外原位试验渠道在历时2个半月后，受冰体及积雪覆盖的影响，渠坡法向土壤深度40 cm处的温度基本稳定在0 ℃。典型断面注水前后不同深度处渠基土的温度见表1。 3.2土壤含水率资料分析 渠道土壤含水率的大小受注水、迁移、渗漏及土质等因素的综合影响。一般而言，土壤含水率随深度的增加而增大，但在严寒寒冷地区的冬季，混凝土衬砌渠坡积雪或渠道内积水而结冰，直接影响土壤含水率的变化，改变了土壤水分的分布，从图3、表1可以看出，注水不久，水面线以下表面的土壤含水率均较高，后期随着内部水分向表面的迁移及向内部的渗漏，导致土壤表面含水率略有降低，而内部的土壤含水率呈缓慢上升的趋势，水面线以上附近的土壤含水率变化并不是很大；渠坡及渠基的土壤含水率远大于砂砾料的起始冻胀含水率 6%～8%。冬季渠道底部积水结冰，由于土壤含水率过高及含水率分布的特殊性，加剧了渠道的冻胀危害。 3.3监测影响因素分析 由于冻胀融沉计采取紧贴渠坡表面的埋设方式，其监测数据不受内部土体的变形约束；不锈钢线膨胀系数为1.2×105/℃，仪器长度按1～2 m计算，温差在30 ℃，则仪器自身的温差变形在0.36～0.72 mm。对最终的冻胀融沉的变形影响较小。 通过对基准点前后两次变位的观测，基准点的水平及竖向变形量在2 mm以内，量值较小，其对冻胀融沉的量值影响不大。 4渠道冻胀融沉成果分析 土壤中水分在低温下冻结而引起渠道冻胀，如果基土中各点是自由的，则当温度低于冻结温度时，基土整体便发生冻胀变形。事实上，渠道冻胀融沉不仅受渠基土不同部位处含水率的不同、密实度的差异，尤其是冬季渠道积水结冰，冻土受到渠道冰体水平推力等环境因素的影响，还将会受到混凝土衬砌板约束，及冻土各部分之间的相互制约，其渠坡的法向及切向的冻胀融沉的变形还是十分复杂的。 4.1渠道水面线及水面线以下冻胀量分析 渠水结冰总是先从水体与混凝土衬砌的边缘处开始，逐步向水面中心汇聚，早期的结冰对混凝土衬砌渠坡底部的影响并不是很大，但对水面线附近冻胀变形影响较大；后期当渠道表面全面封冻之后，水体内部结冰从而导致的膨胀变形对混凝土衬砌渠坡底部的变形产生较大的影响。渠道底部冻胀应力计开始变化的日期较水面线冻胀变形的晚6～7 d。 典型断面渠体底部和水面线沿切向方向冻胀收缩量7.0 mm、8.3 mm，但沿法线向渠坡外的膨胀量分别为5.4 mm、10.0 mm，见图4。[JP2]总体而言，渠坡冻胀呈现“法向膨胀、切向收缩”的变化趋势。（1）沿渠坡切向方向冻胀呈收缩的变形趋势，渠底的冻胀变形速率较水面线附近的小，此变形趋势势必对渠坡底部与渠底的接触变形产生较大影响；（2）水面线附近的渠坡法向变形量在冻胀初期很快完成，后期虽略有增加，但量值增加幅度不大，而渠道底部的冻胀变形是缓慢持续增加的，直至融沉开始；水面线附近的法向冻胀量大于渠坡底部；（3）无论水面线还是靠近渠底的渠坡部位，其法向及切向的冻胀变形趋势是一致的，但就冻胀量值而言，寒冬季节法向变形量不一定大于切向变形量；（4）受渠道冰体压力的影响，渠道水面线附近的法向及切向的冻胀量大于渠底的冻胀量。 4.2水面线以上的冻胀变形分析 2013年12月23日，对冰面以上渠坡进行三维激光扫描，获取初始数据，2014年1月23日进行第一次冻胀量扫描，变形量分布见图5。混凝土衬砌渠坡冰面以上均表现为膨胀变形，冻胀量在1.4～16.8 mm，与一般的渠道相比，其冻胀量较大，变形量较大的部位主要发生在靠近渠顶的衬砌面板和渠道的转弯部位。 4.3融沉变形分析 春季变暖，渠道水体的融化是冻结的逆变化过程，其对渠坡的影响也是先从水面线开始。渠坡的融沉主要表现为“法向收缩、切向略微拉升“的变化趋势。（1）渠坡法线方向均表现出融沉趋势，渠坡底部法向的融沉量及融沉速率较大，其收缩变形为9.2 mm，且其融沉量大于冻胀量，由于冻胀引起的融沉量远大于冻胀量，易造成渠道水面线附近的混凝土衬砌开裂，其危害比较大，水面线附近渠坡的融沉量变化较为缓慢，量值也较小；（2）在融沉开始时，变形均表现出先增大，后减小的趋势；（3）水面线附近的融沉略早于渠底；（4）渠坡切向及法向冻胀均表现为不可恢复变形。 对于冬季运行渠道或延长供水期，合理控制渠基土的含水量，保证渠道底部排水设施通畅，对于削减渠床基土冻胀融沉量是非常重要的。由于渠道水面线以下渠基土的含水率较高，干密度较小，冻胀融沉过程导致土体向密实方向发展，由于冻胀引起的融沉量大于冻胀量，对于冬季渠底结冰渠道水面线的部位危害也就更大。 4.4冻胀融沉特性分析 对于渠道内水体结冰的渠坡，由于冰推力的影响，受混凝土衬砌板整体性约束作用，其渠底的冻胀变形却是缓慢的；当春季渠道内水体融化后，渠基土体孔隙水富集，孔隙体积增大，土体强度降低，压缩性增大，在自重等荷载作用下，产生排水固结而出现湿陷，造成渠底表面冻胀土体发生较大较快的融沉，且法向融沉量远大于冻胀量，即渠底冻胀融沉主要体现为沿渠坡的变形，若混凝土衬砌板厚度较薄，抗弯折性能不足，易在混凝土衬砌渠坡中部发生裂缝，必要时可采取加筋、加肋或增加衬砌板厚度等工程措施，以提高混凝土衬砌的抗弯折能力。 水面线附近及水面线以上的部位，7 d之内的冻胀量约占最大冻胀量95 %以上，在深冬季节，冻胀量变化并不是很大；主要表现为冻胀引起的膨胀变形，由于冻胀引起的融沉变形相对而言较小；其次由于冬季碾压密实度不足，干密度较小，渠道后期的沉陷量较大，由于土体冻融的过程其实是土体的密实过程，冻融过程导致土体向密实方向发展，加速了渠道的沉降变形，是造成切向位移收缩的主要原因。 |
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