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第 3 5卷第 4期 2 0 1 3年 4月 人民黄河 YELL OW RI VER Ve 1 3 5 No 4 Ap r , 2 01 3 【 灌 溉 供水 】 大尺度弧底梯形渠混凝土防渗板抗裂厚度试验 马丹妮 , 樊贵盛 , 张建婷 , 韩勇鸿 ( 1 太原理工大学 水利科学与工程学院, 山西 太原0 3 0 0 2 4 ; 2 太原理工大学 环境科学与工程学院, 山西 太原 0 3 0 0 2 4 ) 摘要: 基于弧底梯形渠道整体现浇混凝土衬砌板原位冻胀过程监测数据, 揭示了越冬期不同试验厚度衬砌板开裂在时 间和空间上的差异, 分析了衬砌板开裂程度与温度和板厚之间的定量关系。结果表明: 衬砌板的开裂宽度与板的厚度成 正比关系, 裂缝宽度随衬砌板板厚的增加而变大; 开裂宽度与积温的负值成正比, 在冻结期随负积温的累积, 衬砌板的开 裂宽度变大, 而在融化期则随正积温增大, 裂缝宽度减小; 在观测期末, 裂缝残留量与板厚成正比; 在试验 区的气候、 渠床 条件下, 大尺度弧底梯形渠道边坡混凝土防渗板的合理抗裂厚度为 8 c m。 关键词 :弧底梯形渠道 ;混凝 土衬砌 ;冻胀破 坏;抗 裂厚度 中图分类号:T V 6 7 2 文献标志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 3 0 4 0 1 8 S t ud y o n Re a s o na b l e Cr a c k Re s i s t a n c e Thi c kn e s s o f Co n c r e t e Li ni ng o n La r g e Sc a l e Ar c Bo t t o m Tr a p e z o i d a l Ca na l MA Da n n i ,F AN Gu i s h e n g ,Z HANG J i a n ri n g ,HAN Y o n g h o n g ( 1 C o l l e g e o f Wa t e r R e s o u r c e s S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g , T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a ; 2 C o l l e g e o f E n v i r o n m e n t a l S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g , T a i y u a n U n i v e rsi t y o f T e c h n o l o g y , T a i y u a n 0 3 0 0 2 4,C h i n a ) Ab s t r a c t :Ba s e d o n t h e s i t u fr o s t h e a v i n g o b s e r v a t i o n d a t a o f t h e c a s t i n p l a c e c o n c r e t e l i n i n g i n t r a p e z o i d a l c a n a l wi t h a r e b o t t o m,t h e d i f f e r e n c e s o f c r a c k wid t h b e t we e n t i me a nd s p a c e o n v a rio u s t h i c k n e s s e s c o n c r e t e l i n i n g o v e r wi n t e rin g we r e r e v e a l e d a n d t h e q u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i p a mo n g c r a c k wi d t h,t e mp e r a t u r e a n d b o ard t h i c k n e s s we r e a n a l y z e dTh e r e s u l t s h o ws t h a t t h e c r a c k wi d t h s a r e po s i t i v e p r o p o r t i o n al t o t h e t h i c k n e s s o f c a h a l l i n e r p l a t e,t h e wi d t h o f c r a c k i n c r e a s e s g r a d u a l l y wi t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e t h i c k n e s s o f c o n c r e t e l i n i n g An d t h e c r a c k wi d t h s are p o s i t i v e p r o - p o r t i o n al t o t h e n e g a t i v e a c c u mu l a t e d t e mp e r a t u r e ,i n t h e fr e e z i n g p e r i o d,t h e w i d t h s o f c r a c k i n c r e a s e s a s t h e i n c r e a s i n g n e g a t i v e a c c u mu l a t e d t e m- p e r a t u r e,w h i l e i n t h e t h a wi n g p e r i o d,t h e wi d t h s o f c r a c k d e c r e a s e s wi t h t h e i n c r e a s ing p o s i t i v e a c c u mu l a t e d t e mp e r a t u r e On t h e e x p i r a t i o n o f t h e o b s e rva t i o n p e rio d,t h e c r a c k r e s i d u a l q u a n t i t y i s p r o p o r t i o n a l t o t h e t h i c k n e s s o f c o n c r e t e l i n i n g On t h e t e s t s i t e c l i ma t i c a n d c h a n n e l c o n d i t i o n, t h e r e a s o n a b l e c r a c k r e s i s t a n c e t h i c k n e s s o f c o n c r e t e l i n i n g s e e p a g e c o n t r o l b o ard o n l a r g e s c a l e are b o t t o m t r a p e z o i d a l c a n a l i s 8 o n Ke y wo r ds :a r e b o t t o m t r a p e z o i d al c a n a l ;c o n c r e t e l i n i n g;f r o s t d a ma g e;c r a c k r e s i s t a n c e t h i c k n e s s 1 U形混凝土防渗渠道研究现状 我国北方地区渠床土壤在冬季要经历周期性冻融 , 渠床防 渗体受冻融作用屡遭破坏 , 一直是困扰渠道工程建设和管理的 顽症之一。辛英华等、 张茹等 的研究表 明, u形断面防渗 体水力条件佳、 整体性好、 占地少 、 刚度强、 承载力大, 冻胀量分 布均匀、 抗冻性能较好。目前, 小型 u形混凝土防渗渠道已在 全国各地广泛推广, 而该类大型渠道还没有被普遍应用, 主要 原因是其施工工艺还不够完善。任之忠等 在吸取国内外相 关研究成果的基础上, 结合我国北方地区实际, 提出一种两侧 壁预制吊装和渠底现浇相结合的施工方法。虽然预制混凝土 板有着强度高、 局部变形易于维修调整等优点, 但其缺点是造 价高、 必须配筋、 需要平整的制作养护场地 , 还有二次搬运困 难、 增加损耗, 吊装钩增大了渠道糙率, 且易挂污物以及混凝土 块之间的缝隙易长草 , 草根易刺破防渗膜等。因此, 目前大多 数渠道倾向于使用造价稍低、 外观平整 、 不需要预制场地 、 机动 灵活, 能适应渠道断面尺寸变化的现浇混凝土板作为渠道衬砌 板 。 目前, 对大尺度 U形渠道的研究较多, 主要集中在其冻胀 机理和断面尺寸方面, 李安国 提出了大 U形混凝土渠道的冻 结、 冻胀特征及其预测方法, 并得到了大 u形渠道的法向冻胀 力设计使用值和计算图式。辛英华等通过合理假设, 建立力 学模型, 推导出最优的 U形渠道断面参数( 底弧圆心角和圆弧 上部直线段的长度) 等。陈涛等 分析了渠道衬砌板破坏时段 收稿 日期 : 2 0 1 2 一l 1 1 4 基金项目: 水利部大中型灌区续建配套项 目( 2 0 0 8 1 0 1 5 ) 。 作者简介: 马丹妮( 1 9 8 7 一) , 女, 山西大同人, 硕士研究生, 研究方向为灌溉排 水理论与技术。 通信作者: 樊贵盛( 1 9 5 5 一) , 男, 山西孝义人, 教授, 博士生导师, 主要从事土壤 物理、 灌溉排水理论与技术研究工作。 E n la i l :ma d a n n i 0 3 5 l 1 6 3 C O I n 51 人 民 黄 河2 0 1 3年第 4期 与部位的分布规律及其成因。张茹等 建立了大 U形混凝土 衬砌渠道冻胀破坏的力学模型 , 得出衬砌板越厚其抗弯能力和 抗裂能力就越强的结论, 提出可通过增加衬砌板厚度及加肋的 办法提高渠道衬砌板的抗冻能力。以上的抗冻性研究均建立 在衬砌体较轻, 不考虑衬砌板 自重的前提下。目前, 工程设计 中仍无确切的冻胀力计算模型和方法, 因此对于衬砌板厚度的 研究较少。笔者通过对山西省汾河灌区厚度为2 0 c m大中型U 形现浇混凝土防渗板的观测, 发现运行过程中9 0 的防渗板在 1 2 水深处产生大的通缝, 最大开裂宽度为 4 m m。经过分析 认为, 除冻胀破坏以外 , 衬砌板的 自重或许也是产生裂缝的主 要原因之一。这里通过对 3种不同厚度渠道混凝土衬砌板冬 季运行参数的原位测定 , 辅以冻胀机理分析 , 得到板厚与开裂 程度问的关系, 提出合理的板厚设计, 以期为季节性冻融区渠 道防渗提供参考。 2 原位试验基本情况 2 1 气候与土壤条件 ( 1 ) 气候条件。原型原位试验段位于山西省汾河一坝灌区 西干 渠 野 庄 段 ( 太 原 市 晋 源 区 ) , 处 于 东 经 l l 2 。 2 7 、 北 纬 3 7 。 4 O , 该区属于典型的半干旱大陆性季风气候区, 昼夜温差较 大, 尤霜期较长, 日照充足。多年平均气温为 l 0 4 3, 1月最 冷 , 平均气温为 一 6 8; 7月最热, 平均气温为 2 3 5。年均 降水量为4 6 2 mm, 全年太阳总辐射量为 1 3 01 3 5 k J c m , 日照 时数为 2 8 0 8 h 。 试验于 2 0 0 8年 1 1月至2 0 0 9年 3月越冬期进行。试验 区 土壤 l 1月中旬开始冻结, 次年 3月解冻 j , 试验年度 1月最 冷, 平均气温为 一 4 9, 最低气温为 一l 8 4, 最大冻深约为 8 0 c m。 试验期间出现 日平均气温在 0以下的天数有 6 5 d , 其负 积温 一 变化见图 1 ; 冻结指数 的变化规律见图2 。冻结指 数 在 1月2 3日达到最低的 一6 3 6 7 5 o C d 。负积温 n一 于 1月3 1日达到最大累计值 一 2 7 7 1 4 4 , 之后趋于平稳。 5 2 一5 。 0 一 - 2 2 5 0 0 。 : 2 0 0 8 一 l o _ 2 9 2 0 0 8 _ 2 一 l 8 2 0 0 9 0 2 0 6 2 0 0 0 3 2 8 时间 图 1负积温 一 的变化曲线 时间 图 2 冻结指数 n 的变化 曲线 ( 2 ) 渠床土壤条件。试验前对渠床 01 8 0 a m深度土壤进 行了分层取样颗粒分析, 渠基土壤为沙壤土, 各层土壤颗粒以 3 O 0 0 0 2 mr fl的沙粒为主。土壤体积含水率 0为 2 0 6 3 9 9 , 平 均为 3 0 2 , 原状土干密度 】 为 1 4 6 g o m 。 ( 3 ) 地下水位。渠道阴坡外侧有一条常年排污河, 河水水 位控制着渠底地下水水位。经测量, 河水水位低于地面高程 0 6 4 5 m, 即地下水实际埋深为0 6 4 5 m, 属于浅层埋深 , 且小于 壤土类地下水对冻胀的临界影响深度 1 01 5 m和此类土毛 细水上升高度的最小值 1 2 m 。 2 2试验段渠床结构与试验处理设计 2 2 1 渠床 结构与基础设计参数 渠道横断面及板下地温测点与固定锚件布置见图 3 。试验 段渠道长 5 0 0 in , 底宽 0 8 9 5 I l l , 顶宽 8 m; 渠深 2 2 m。内外边 坡系数均为 1 : 1 2 5 , 渠底坡降为 1 3 0 3 9 。渠道设计水位为 7 6 5 6 2 5 m, 各部位高程见表 1 。 表 1 渠道各部位和监测点的高程 m 位 置渠 外 地 面渠 道 顶 端渠 道 底 部地 下 水 位设 计 水 位 2 ; 注:I 、1 1 、IV、V、为各监测点编号 图 3 渠道横 断面及板下地温测点与 固定锚件布置( 单位 : m) 2 2 2试验 处理 设计 试验段共有 l 4种不同的处理方式, 以分析板厚 、 版型 、 配 筋量、 浇筑方式等因素对开裂和冻胀变形的影响及定量关系, 从而探索适合同类地区抗冻性好、 成本低且便于施工的混凝土 防渗体。这里主要通过对不同厚度衬砌板开裂时间、 程度和位 置的比较, 结合冻胀理论分析, 得到弧形底梯形渠道边坡混凝 土防渗板的合理抗裂厚度。因此, 选取的衬砌板只在厚度上有 所变化, 其他构造 和施工工序完全一致 , 相应处理的设计 见 表 2 。 表 2衬砌 板处理设计参数 比较 霉 嚣臀 蛩 处理 I 8 现浇 5 x 3 2 C 2 0 设置 两布一膜 配置 5 处理2 1 0 现浇 5 x 3 2 C 2 0 设置 两布一膜 配置 5 处理9 1 2 现浇 5 X 3 2 C 2 0 设置 两布一膜 配置 5 cm 。 2 3 监测过程与方法 原位试验历时 1 4 6 d , 共监 测 1 4次 , 平均 1 0 d监测一次 , 如 遇到天气骤冷、 渠道过水等特殊情况, 适当增加监测频次。 试验监测项 目包括气温、 衬砌板下法向土壤分层地温( 0 1 2 0 o m) 、 土壤含水率 、 衬 砌板 位移量 ( 包括 竖 向位移 与横 向位 移) 以及衬砌板裂缝的位氍和宽度。监测对阴坡板进行 , 每次 人 民 黄 河2 0 1 3年第 4期 监 测 执 敏 电 阻 法 土 壤 含 K 量 采用L 5 2 0 3 结果分析 板 下 地 温的 监 测 采用 热 敏 电 阻 法; 土 壤 含 水 量 采 用 一 J 缅木万 D 型 智 能 中 子 土 壤 水 分 监 测 ; 在 所 示 位 置 预 埋 塞 越 冬 期 3 种 处 理 衬 砌 板 的 开 裂 时 间 、 位 置 、 宽 度 和 形 式 见 件 进 行 冻 胀 变 形 的 监 测 ,使用水准仪和经纬仪分别进行水平位 表3 。不同厚度衬砌体开裂宽度 6变化过程见图4 。 移和垂直位移的测量。 表 3 3种处理衬砌板越冬期的开裂情况 注 : 所有裂缝均为表 面缝 ; 贯通是指平行 于水流方 向的纵 向贯通 。 2 o o 8 - l l 一 2 8 2 0 0 8 1 2 - 18 2 0 0 9 - -0 1 0 7 2 0 0 9 - 0 1 2 7 2 O O 0 2 - 1 6 2 O 0 9 - 0 3 - O 8 2 O O 9 - 0 3 - 2 8 时间 图 4不同厚度板开裂宽度变化过程 ( 1 ) 不同厚度衬砌板在整个越冬期开裂趋势一致。裂缝经 历从无到有 , 其宽度先增大到某极限值 , 而后逐渐减小到较 小值。 在2 0 0 8年 1 1 月2 8日至 1 2月2 8日( 共 3 1 d ) 初冻期期间, 3 种衬砌板开始缓慢出现裂缝; 在 2 0 0 8年 1 2月2 8日到 2 0 0 9年2 月3日( 共 3 8 d ) 的冻结期, 衬砌板开裂宽度处于较快增长的阶 段, 在该时段末开裂宽度达到最大; 此后到 3月 2 8日( 共 5 4 d ) 的融化期末, 裂缝宽度逐步减小, 于观测期末达到较小值。裂缝 宽度随时间的变化, 其实质是随温度的变化而改变的。 由于 3种板的裂缝宽度随时间的变化趋势基本一致, 因此 这里以 1 0 c m厚板的裂缝变化过程为例进行分析。图 5为裂 缝宽度与负积温 力一 的关系, 由图5可知 : 在冻结期, 衬砌板的 开裂宽度随负积温绝对值的增大而增大, 当积温负值达到最低 时, 板的裂缝宽度达到最大。图6为裂缝宽度与正积温 的 关系, 在融化期 日平均气温开始回升, 负积温逐渐停止累积, 正 积温开始增长, 此时衬砌板开裂宽度不再增大 , 而是随正积温 的增大而逐渐收缩减小至最小。由图5和图 6所示的裂缝与 正负积温关系可知, 根据温度变化能对开裂进行预报和及时修 补。陈涛等 的研究表明, 气温和地温过程线变化趋势基本吻 合。因此, 在初冻期和冻结期衬砌板下土壤温度随气温的降低 而降低 , 负积温的逐步累积使得土壤孔隙水温度低于其冻结温 度而发生相变导致体积膨胀, 产生冻胀力。气温越低 , 土体内 温度势梯度越大, 所产生的分凝冻胀也就越大, 因约束而形成 的冻胀力随之增大。试验段渠道衬砌板使用的是抗压强度高 而抗拉强度低的刚性混凝土材料, 开裂宽度反映出裂缝处所受 拉应力的大小, 拉应力越大其裂缝宽度越大。而拉应力是 由重 力和冻胀力共同作用形成的, 故因温度降低而增大的冻胀力导 致开裂宽度也随之增大。同理, 融化期温度升高, 大气停止吸 收土壤的热量, 土壤反而开始吸收大气的热量。同时, 太阳净 辐射能增大, 供给土壤 的热量也大大增多 , 为土壤水分相变的 吸热过程提供了热量。随着土中水分解冻, 冻胀力随之消失 , 渠道基土和衬砌板的应力和变形重新分布使得衬砌体又落回 到原基土上, 由重力和冻胀力形成弯矩而造成的裂缝随之恢 复 , 宽度逐渐减小。 图 5 裂 塞 一 粪 正积温n 图6 裂缝宽度与正积温n 的关系( 融化期) 5 3 g 目 雠憾 i 鑫 唧 藩 艄 人 民 黄 河2 0 1 3年第 4期 ( 2 ) 衬砌板厚度不同, 开裂程度相差较大。衬砌板越厚 , 开 裂的宽度越大。由图4可以看出: 8 c m厚的衬砌板在整个越冬 期开裂很 小 , 最大仅 为 0 1 m m 的表 面缝 ; 1 2 c m厚 的衬砌 板 的 开裂程度最大, 最冷时达到2 mr n , 且是通缝; 1 0 c m板的开裂程 度小于 1 2 c m板 , 最大时达 1 7 i n to。但是, 经分析 1 0 c m厚和 1 2 c m厚衬砌板裂缝的开裂速率与恢复速率均是 0 0 3 m m d 。 由混凝土受拉破坏机理 可知: 在外拉力作用下, 当拉应 力达到混凝土抗拉强度时, 就会出现裂缝。试验渠道衬砌板所 受 的外力 只有冻胀力 和其 自重。 由表 2可 以看 出: 这 3种衬 砌 板均由同期 、 同型号混凝土在 同一渠床基土条件下浇筑而成 , 均加入了同种规格用于抗裂和防渗的铅丝网和土工布, 只有厚 度上的差异。当衬砌板下温度与含水率均相同时, 渠板所受的 冻胀 力也 相同 ; 排除 因施工过程 中浇筑 不均匀导 致抗裂强 度不 均匀情况外, 造成衬砌板开裂程度不同的原因只可能是板的厚 度。板越厚 白重就越大, 其与冻胀力的合力在板面处产生的拉 应力就越大, 故形成的裂缝越宽。图4的实测资料也可以证实 这个 理论 , 即衬砌板越厚 , 开裂 的宽度越大 。 ( 3 ) 裂缝残留量随板厚的变化。由图 4可以看出, 在 3月 2 8日观测期末 , 8 c m厚 衬砌板 没有裂 缝残 留 , 1 0 e m厚板 面有 一 条0 5 mm裂缝 , 1 2 c m厚的板面裂缝残余量有 0 7 mm。与 最大开裂缝比较 , 1 0 c m和 1 2 c m厚衬砌板裂缝残留量均约为其 的 2 5 。 裂缝的理想化回位状态, 应当随着冻胀力消失, 衬砌板逐 渐回到原位 , 即因冻胀力而形成的裂缝完全闭合。但该试验段 处在黄土高原, 冬季风力较强且风中携带的沙尘量较大 , 当衬 砌板出现裂缝后, 沙尘极易进入裂缝, 裂缝开裂宽度越大, 裂缝 中土颗粒的含量和粒径就越大, 导致融化期末裂缝的残留量就 越大 , 无法恢复如初。这与实测资料完全吻合 , 8 c m厚衬砌板 最大只有0 1 m m的表面缝 , 大粒径的土颗粒无法进入 , 而使得 它能够基本恢复; 1 0 c m和 1 2 c m厚衬砌板则因裂缝开 口较大 而残留了大粒径的土颗粒, 留下相对较大的残余变形量。 ( 4 ) 衬砌板厚度不同, 开裂位置也不同。板越厚, 开裂位置 越靠近渠底。由表 3可知, 8 c m厚衬砌板的开裂位置在 2 3水 深附近, 距渠底约 1 m; 1 0 C E厚衬砌板在 1 2水深处开裂, 距渠 底约0 7 5 m; 而 1 2 c m厚衬砌板的开裂位置为 1 3水深 , 距渠 底约为 0 5 m。试验期间发现: 渠坡衬砌板与基土不是一直凝 结在一起的。在某一时刻后, 渠顶板会与基土发生分离 , 水平 方向的最大分离量可达5 c m; 同时, 衬砌板开裂位置高低与渠 顶分离宽度间也存在某种关系: 即裂缝位置低则渠顶脱离距离 5 4 大。受这种脱离现象的影响, 衬砌板渠顶部分范围被悬起形成 悬臂结构。衬砌板越厚则抗裂厚度越大 , 抵抗因悬起而产生弯 矩的能力就越大, 故开裂位置距渠顶越远, 距渠底越近。衬砌 板厚度与开裂位置间的定量关系还需要建立模型来分析。 4 结论 通过原位试验对冻胀裂缝开 裂时间 、 位置和程 度 的监 测研 究得 出以下结论 。 ( 1 ) 在该试区条件下, 不同厚度衬砌板开裂宽度随温度的 变化过程一致 , 衬 砌 板开 裂 宽度 随 负积 温绝 对 值 的增 大 而增 大, 随正积温的增大而减小。 ( 2 ) 衬砌板越厚 , 裂缝越宽。同一温度下8 c m厚的冻胀开 裂程度最小 , 1 0 c m厚的居中, 1 2 c m厚的最大。 ( 3 ) 衬砌板越厚, 在一个冻融期末的裂缝残留量越大。8 c n l 厚衬砌板能基本恢复, 1 0 c m和 1 2 e m厚衬砌板有 2 5 的裂 缝宽度残 留。 ( 4 ) 衬砌板越厚 , 开裂位置越低。8 c m厚、 1 0 c m厚和 1 2 c m 厚衬砌板的开裂位置分别在 2 3水深、 1 2水深和 1 3 水深处。 ( 5 ) 在该试验区条件下, 渠道衬砌板的合理抗裂厚度为 8 c m。8 c m衬砌板在越冬期仅有很细微的表面缝, 且在融化期 可以基本恢复, 因此渠道衬砌板的合理抗裂厚度为8 e m。 参考文献 : 1 辛英华 , 王正 中 U形衬砌渠道结构及水力最佳断 面的分析 J 节水灌溉 , 2 0 0 8( 2 ): 3 53 8 2 张茹, 宋孝斌 大 U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的力学模型探讨 J 东北 水利水电 , 2 0 0 7 ( 6 ) : 4 7 3 任之忠 , 孙竞武 大 U形混凝土 防渗 渠道新施工 法的试验 研究 J 农 田水 利与小水电 , 1 9 9 4 ( 7 ) : 1 7 2 1 4 魏邦记 黑龙江省灌区渠道防渗模式研究 J 黑龙江水利科技, 2 0 1 l ( 3 ) : 1l 1 5 李安国 大 U形混凝土渠道冻胀试验 J 人民黄河, t 9 8 7 , 9 ( 4 ) : 3 7 4 1 6 陈涛, 王正中, 张爱军 大 u形渠道冻胀机理试验研究 J 灌溉排水学报, 2 0 0 6, 2 5( 2 ): 81 1 7 樊贵盛, 郑秀清, 贾宏骥 季节性冻融土壤的冻融特点和减渗特性的研究 J 土壤学报 , 2 0 0 0 , 3 7 ( 1 ) : 2 4 2 5 8 吴有 富, 何少溪 , 陆勤 混凝土受拉断裂的破坏机 理 J 工程 力学 , 1 9 9 3 , 1 0 ( 3) : 1 1 61 2 3 【 责任编辑赵宏伟1
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