汾河灌区现浇混凝土渠道衬砌冻胀试验研究.pdf

山 西 水 利旨 寓 再 汾河灌区现浇混凝土渠道衬砌冻胀试验研究 王 婧 ( 山西省汾河灌溉管理局， 山西祁县0 3 0 9 0 0 ) 摘要 冻胀破坏是渠道工程建设和管理的重要制约因素， 对弧形坡角梯形现浇混凝土渠道冻胀过程进行 原型观测试验， 通过统计试验场气温、 渠基土含水率和渠道观测点位移量， 分析渠床冻深、 刚性衬砌层变 形及受力变化原因， 初步探究了渠道衬砌层冻胀破坏变形的产生机理并提 出了相应的建议。 关键词 现浇混凝土渠道； 弧形坡脚梯形断面； 冻胀破坏试验 中图分类号 T V 6 9 8 2 * 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 7 0 4 2 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 5 3 0 2 1 基本情况 汾河灌区渠道防渗冻胀试验段位于太原市晋源 区野庄村东 ，桩号为汾河一坝西干渠 4 2 + 9 5 8 9 4 3 + 0 0 8 9 ， 渠道为东西走向， 断面型式为弧形坡角梯形断 面，设计流量 4 7 5 m 3 s ，坡角弧度半径 3 0 m，渠深 2 2 m，渠底宽 2 0 m，边坡 1 ： 1 2 5 ，渠道纵 比降 1 3 0 3 9 ， 属半挖半填渠道。 试验区地处大陆性季风带 ， 年平均气温 1 0 ， 最高气温 3 9 4 ， 最低气温一 2 5 。 多年来， 汾河灌区实施错峰供水机制， 下游局部地区 采取冬季蓄水灌溉模式 ， 此次试验渠段属上游主要输 水渠道 ， 冬季承担渠道过水任务。 2 方案设计 2 1 结构 型式 通过普查渠道防渗冻胀破坏现状， 结合当前灌区 水利工程施工技术水平 ， 渠道衬砌结构贯彻“ 轻 、 薄 、 巧” 的原则 ， 避免 “ 重墩 、 厚墙 、 深基础” 和大方量非冻 性材料置换等工程措施。 试验段防渗为现浇混凝土板 加土工膜 的弧形坡角梯形断面衬砌结构 ( 如图 1 ) ， 渠 道横断面冻胀应力分布较为均匀 ， 衬砌层适应较大的 冻胀力和冻融沉降变位 ， 具体型式为： 全断面铺设土 工膜作为防渗层 ， 刚性防渗衬砌层采用现浇 C 2 0混凝 土， 内衬 0 2 m x O 2 m的 8 号铅丝网， 底部坡角弧度半 径 3 m， 每 5 m设伸缩缝填充沥青砂浆。 2 2观测 项 目设 计 衬砌层渠基产生冻胀主要基于土壤水分、土质、 气温等因素综合作用 ， 观测项 目包括气温 、 地温 、 土壤 含水率、 土壤颗粒组成、 衬砌层位移等， 试验期间每两 周进行一次原形观测。气温观测包括观测 日 最高、 最 低、 平均气温； 渠基地温由数字万用表和预埋热敏电 阻观测 ， 埋深分别 为 0 2 m， 0 4 m， 0 6 m， 0 9 m， 1 2 m。 渠道衬砌层位移采用固定标点法，分别在渠底中心、 坡角弧度中心、 1 3 设计水位点、 2 3 设计水位点、 设计 水位点及渠道超高保护中点埋设 6 处观测点， 其中点 位与地温量测点同位等高， 由经纬仪、 水准仪分别量 测其垂直和水平位移量经矢量合成表征渠坡径向位 移。土壤含水率测定采用常规取土钻取土， 烘干法测 定。渠道断面型式和测点布设情况如图 1 。 图 1 观测断 面型式和测点布置图 3 原形观测结果分析 3 1 观 测结 果 经 过历 时 1 4 1 d ( 2 0 0 8年 1 1月 8日一2 0 0 9年 3 月 2 8日) 完整冻融周期的原形观测， 期间最低气温 为 1月 l 7日的一 1 2 2 c C，最 高气温 为 3月 2 8日的 l 7 2 ， 观测年份具有代表陛。 渠道典型断面渠底 I 点 地温的最小值一 1 1 1 4 ，渠道衬砌变形最大为V点 l 2 7 c m，观测期渠基土重量含水率 1 6 2 2 4 5 ， 冻 融变形后发现防渗衬砌层出现裂缝。 3 2 试验场气温分析 气温是渠基冻结的重要影响因素 ， 试验区气温受 太阳辐射影响，总体呈波动式变化趋势 ( 见图2 ) ， l 2 月 1 9日 开始日平均气温稳定在 O 以下， 1 月中旬 气温在 0 附近波动； 之后随着太阳辐射的增强， 气温 回升较快， 2 月 3日以后气温稳定在 0 以上。日 负积 垫 生 星 圆 S HANX I WAT E R RE S 0UR CE S 温度波动程度强于气温 ， 1 月 5日为观测期负积温度 最低值， 之后随气温同步陕速回升。 日期 m d d l l 一 8 1 l 一 1 4 l 1 - 1 8 1 l 一 2 2 l 1 2 8 1 2 2 1 2 7 l 2 1 9 l 一 5 1 一l 7 2 3 2 2 1 3 - 1 0 3 - 2 8 图 2 极值气温与负积温度过程线 3 3 渠基冻深时空分布 根据地温统计数据进行插值得到渠基土冻深过 程变化线( 见图 3 ) ， 渠基土冻结发生在 1 1 月中旬， 渠 基土达到冻结含水率时由松散状态冻结为质密冻土。 由于基土不同高度的水分和土质条件的差异性， 各测 点冻深变化过程不同。从观测时间分析， l 2 月 8日以 前试验段渠道冬灌行水 ， 水位线以下 I 点至点渠基 直至 l 2 月 7日 并未发生冻结，水位线以上V点至 点从 1 1 月 1 4 f 3 开始冻结 ， 但 由于土壤含水率和气温 等条件局限，冻结深度发展至 1 1 月 1 8 E t 趋于稳定。 随着基土负积温度的急剧攀升 ，在温度梯度的作用 下， l 2月 7日开始冻土层深度随时问的延续而累积增 长， 冻土层推进程度较 1 月 5 13基土负积极值温度具 有滞后性 ， 1月 1 7日渠基冻深 趋于稳定 ，并 略有 回 缓。 2 月 2 1 E t 左右受 f3 照辐射和气温回升影响， 各 观测点渠基土冻结层相继融解 ， 其中 I 点处最先开始 融解 ，随后 点冻深逐 渐减小至零 ，截至 3月 2 8 13 渠基冻融过程结束。 日期 n n 1 叫 d I l R 1 1 一 l d 1 1 1 R l l - 2 2 1 1 - 2 8 1 2 - 2 1 2 7 1 一 1 9 5 j 一 1 7 2 3 2 21 3 1 0 3 - 2 8 00 0 2 n4 0 6 聪 增0 ,8 l 0 l 2 1 4 3 4 冻结 度相 拉或 冻胀 处于 面的 剥蚀和裂缝现象( 见图4 ) 。 其中衬砌层 I 点隆起变形， 点沿渠坡滑塌， 在 1 2 月 8日达到峰值。之后在 温度梯度作用下不断将未冻结区域水分迁移到冰凝 层， 使基土冻结缘越来越厚。 随着冻结峰的推进， 渠堤 点渠堤部位克服渠道衬砌 自身重力产生切向拉 力， 沿抗剪薄弱面向上滑动， 1 月 7日渠道衬砌基本复 位 ， 随着冻结惯性拉力持续作用 ， 局部渠段沿衬砌结 构受力薄弱处产生裂缝 ， 2月 6日达到正 向位移量峰 值。之后温度逐渐回升， 基土与渠道衬砌层冻胀约束 解除， 3月 8日后在 自重作用下渠道衬砌 向下滑塌 ， 产 生一定的负向位移。 、 、 一 ， ： ： ： ： = ： ： 柳 一 I _ l 7 I _ 2 7 2 - 6、 -q 6 2 - 2 6 一 + + 。 一