冻胀对混合衬砌型梯形渠道的影响.pdf

第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023收稿日期 2023-05-19作者简介 陈 凯(1991-),男,陕西咸阳人,工程师,研究方向为水利水电工程建设与管理.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.11.008冻胀对混合衬砌型梯形渠道的影响陈 凯(新疆昌源水务集团有限公司,乌鲁木齐 830000)摘 要为了探究冻胀堆砌结构的影响规律,以梯形截面为例,采用室内试验方法,对东港市土壤改良试点的灌溉与排水工程冻土区刚柔混合衬砌梯形渠道的冻胀机理进行系统分析。结果表明,刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温变化趋势与气温变化趋势相同。即当气温下降或上升时,刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温也随之下降或上升。随着最低地温的升高,冻胀力逐渐减小,最后稳定在一个负值,这是由于最低温度升高导致渠基土壤融化下沉所致。深度 60 cm 处是土壤水分最高的地方,也是土壤冻结锋面所在,这使得渠底和阴坡受到较大的冻胀作用。复合土工膜在经历一次冻融循环后的性能损失较小,不会对工程的安全造成影响。关键词梯形渠道;混合型衬砌;气温变化中图分类号 TV91 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)11-0034-06The Effect of Frost Heaving on the Mixed Lining Trapezoidal ChannelCHEN Kai(Xinjiang Changyuan Water Affairs Group Co.Ltd.,Urumqi 830000,China)Abstract:In order to explore the influence law of seasonal frozen soil on the lining structure,this paper takes the trapezoidal section as an example,and uses the indoor test method to systematically analyze the frost heaving mechanism of the rigid-flexible mixed lining trapezoidal channel in the irrigation and drainage engineering frozen soil area of Donggang city soil improvement pilot project.The research results show that the lowest ground temperature change trend of each part of the rigid-flexible mixed lining channel is the same as the temperature change trend.That is,when the temperature drops or rises,the lowest ground temperature of each part of the rigid-flexible mixed lining channel also drops or rises accordingly.As the lowest ground temperature rises,the frost heaving force gradually decreases and finally stabilizes at a negative value,which is caused by the melting and sinking of the channel base soil due to the rise of the lowest temperature.The depth of 60cm is where the soil moisture is highest,and it is also where the soil freezing front is located,which makes the bottom and shady slope of the channel subject to greater frost heaving.The performance loss of composite geomembrane after one freeze-thaw cycle is small,which will not affect the safety of the project.Key words:trapezoidal channel;mixed lining;temperature change43陈 凯:冻胀对混合衬砌型梯形渠道的影响第 11 期0 引 言输水渠道是灌溉工程的重要组成部分,渠道的安全运行直接关系到灌区的农业生产和社会经济发展。在寒冷地区,输水渠道面临着严重的冻胀破坏问题,给灌区带来巨大的经济损失和生态风险1。为防止输水渠道的冻胀破坏,常用的方法是采用衬砌结构来保护渠道。刚性衬砌具有强度高、耐久性好、维护费用低等优点,但存在着施工难度大、成本高、易开裂等缺点2;柔性衬砌具有施工方便、成本低、适应性强等优点,但存在着强度低、易老化、易损坏等缺点3。为此,研究人员提出了许多解决方案,其中包括采用刚柔混合衬砌结构4。该结构采用刚性和柔性两种材料的组合,既能够保证渠道的稳定性,又能够缓解冻胀对渠道的影响5-6。刚柔混合衬砌结构在季节冻土区的冻胀机理尚不清楚,为了探明这些问题,本文以梯形截面为例,采用室内试验方法,对东港市土壤改良试点的灌溉与排水工程冻土区刚柔混合衬砌梯形渠道的冻胀机理进行系统分析,为渠道工程的设计和施工提供参考。1 工程概况东港市土壤改良试点的灌溉与排水工程位于坡度为612的丘陵地区,年径流量105 000104m3。灌溉与排水工程的主要内容是排涝沟的衬砌和配套设施的建设。排涝沟的衬砌方式有4 种,分别为预制混凝土梯形槽、现浇混凝土梯形槽、现浇混凝土梯形沟和浆砌石挡土墙,总长度28 929m。配套设施包括路涵、农道桥、过水路面和预制混凝土管,总长度 1 593m。2 试验准备本文基于土渠基础的稳定性和已有的研究成果,采用等厚板模型,对混凝土衬砌板进行设计。混凝土衬砌板的厚度定为12cm,采用 C20 级混凝土,其弹性模量 2.3104 MPa。为了防止水渗透,渠道坡板和底板下方铺设复合土工膜,同时采用现浇混凝土作为护坡材料。渠道边坡经过蛙式打夯机的夯实处理,确保干密度不低于1.6g/cm3,土壤含水率在 16%23%之间。渠道设计流量 21m3/s,最大流量 26 m3/s。本文对该渠道的结构性能进行分析和评价。为了评估复合衬砌渠道在实际工作环境下的冻胀行为,试验段在进行冻胀试验之前,按照设计规范进行水位试验。渠道两侧的百叶箱内安装有温度计、最高温度计和最低温度计,用于每日记录气温的变化情况。为了研究混合衬砌渠道的土壤温度和冻土层厚度的变化,选择两个长度均为 300cm 的试验段。在渠道的左岸、渠底和右岸各布置 3 个测温点,分别用 A、B、C 和 E、F、G 表示,见图1。此外,在渠底安装一个测温点 D。每个测温点均采用WS-4 型多层次遥感土壤温度计,可同时测量不同深度的土壤温度。每天收集土壤温度数据,并计算每个测温点的日最高和最低土壤温度。图 1 梯形渠道断面测点布置53第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023 为了探究渠道冻土的变化规律,在地温测试段的基础上,增设冻深测试段,共有 7 个测试点。使用 LQX-DT 型冻土器作为冻深测量仪器,将其垂直埋入土壤中,与地面齐平。在冬季冻结过程中,每天早 8 时记录冻深数据,并根据这些数据绘制不同测试点的冻深变化曲线。同时,为了分析渠道的冻胀应力变化规律,设计一个长 400cm的冻胀应力测试段,其测试点的位置和数量与冻深测试段一致。使用应变式荷重传感器来测量冻胀应力,每天对每个测试点进行一次测量,每个测量面积为 4.0m2。通过上述方法,可以探究渠道在冻融循环中的应力演变特征。本研究目的是通过试验手段,探讨复合衬砌渠道在冻融循环下的变形特征。为此,建立一个长 500cm 的冻胀变形试验段,并在渠底中心、设计水位 1/3 处、设计水位 2/3 处、设计水位和渠道超高保护层中心处设置 9 个观测点。利用预埋固定件和水准仪、经纬仪相结合的方法,分别测量水平方向和垂直方向的位移,并通过向量运算,求得渠坡方向的位移,即复合衬砌结构的冻胀量。同时,建立一个长 2 000cm 的土壤水分变化试验段,观测点的位置与地温试验段一致。根据不同的观测时间,选择适当的观测点数量。使用土钻在混合衬砌体下不同深度处采集土样,并用干燥法确定土壤的含水率。每次采样后,用原土料填充原位,以保证含水率的测量结果与实际情况一致。下次采样距上次采样距离为3050cm。3 结果与分析3.1 气温及不同深度地温变化规律图 2 为试验区在整个冻融周期(140d)内的极端气温变化情况。极端气温经历了两次低点和一次高点,第一次低点出现在 2020 年 1 月 8-10 日,最低气温为-25;然后气温有所上升,直到 2020 年 1 月 30 日为-11;之后气温又逐渐下降,在 2014 年 2 月 18 日达到-24,这是第二次低点;接下来气温又开始波动升高,在 2020 年3 月 19 日最低气温上升到 1。在整个冻融周期中,气温呈现出波动的变化特征。图 2 试验区气温变化 刚柔混合衬砌渠道是一种具有抗渗性能的新型渠道结构,它利用复合土工膜作为渠道的防渗层,有效解决了渗漏、冻裂等问题。图 3 为刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温变化情况。从图 3 可以看出,阴坡的最低地温最低,阳坡的最低地温最高;阴坡的最低地温达到-25,阳坡63陈 凯:冻胀对混合衬砌型梯形渠道的影响第 11 期的最低地温达到-21。刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温变化趋势与气温变化趋势相同。即当气温下降或上升时,刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温也随之下降或上升。与图 2 相比,各部位的最低地温也有两个波谷和一个波峰,第一个波谷出现在 2020 年 1 月 10-11 日。各部位的最低地温变化与日最低气温变化比较相似。对比气温和最低地温的变化情况可以发现,最低地温的变化稍微滞后于气温的变化。图 3 渠道不同部位地温3.2 混合衬砌渠道冻深、冻胀量及冻胀力变化采用 DTM-2 型冻土器来检测冻土的变化情况,把它沿着垂直于测点平面的方向埋入地下。在冻结过程中,每天对冻土器进行观测,测量各测点的冻深值。图 4 为刚柔混合衬砌渠道不同测点的冻深变化曲线,表明冻土的生成和演化过程。图 4 渠道不同测点冻深73第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023 采用固定件水准仪和经纬仪,分别对水平位移和垂直位移量进行测量,以得到冻胀变形数值。在渠道四周 10m 范围内,设置深 1.8m 的基准高程点。该深度低于历史最大冻深(1.72m)的实测值,可避免冻拔现象对测量结果的影响。为了利用经纬仪进行观测,在渠道中心选择 3 个固定点作为仪器的放置点,每次观测时,都要保证经纬仪准确放在固定点上,然后依次记录特征点的角度。为了测量冻胀应力,在自冻结过程中,每天利用荷重传感器记录数据。以 4.0m2的混凝土衬砌渠道为试验对象,其冻胀应力的最大值发生在阴坡的 1/3 高度处,达到 178kPa。渠道底部的冻胀应力也较高,为 163kPa。在冬季,混合衬砌渠道的阴坡和渠底受到严重的冻胀作用,造成衬砌结构的变形和位移。其中,阴坡的 E 点和渠底的 D 点是冻胀位移最大的两个点,分别为 13.1和 11.2cm。其次是阴坡的 F、G 两点,其位移也超过 9cm。阳坡的位移则相对较小。随着气温的升高,冻胀位移有所缩小,但仍有一定的残留。在原型渠道冻胀试验中,复合衬砌渠道受到渠基土壤冻胀力的影响,其大小与最低地温有关。阴坡 E 点和底部 D 点的复合衬砌结构承受最大的冻胀力,分别为 178 和 163kPa;而阳坡的冻胀力相对较小。最低地温达到极值时,冻胀力也随之达到最大值,且主要集中在渠道阴坡底部上方 1/3 的区域。随着最低地温的升高,冻胀力逐渐减小,最后稳定在一个负值,这是由于最低温度升高导致渠基土壤融化下沉所致。3.3 土壤水分变化为了研究刚柔混合衬砌渠道在季节冻土区的冻胀机理,本文对渠基土壤在不同位置和深度的含水率进行测试和计算。图 5 为冻结期不同测点含水率随土层深度的变化趋势。从图 5 可以看出,在冻结期,无论是阴坡、阳坡还是渠底,都呈现出相同的水分变化规律。即在 060cm 土层内,含水率随着深度的增加而增加;在 60 120cm 土层内,含水率随着深度的增加而减少。深度 60cm 处是土壤水分最高的地方,也是土壤冻结锋面所在,这使得渠底和阴坡受到较大的冻胀作用。图 5 不同测点含水率与深度的关系3.4 柔性复合土工膜的变形特征和强度变化 复合土工膜是一种能够防止渗漏和抵抗冻胀的柔性材料,它能够适应基础的变形。为了检测一个冻融周期后复合土工膜的性能变化,在试验段的不同位置随机抽取复合土工膜的试样,包括阳坡、渠底和阴坡各 3 个。使用 TZY-1 型土工合成材料综合测定仪,对试样的强度和变形进行测试。经过一个冻融周期后,复合土工膜的剩余强度和延伸率的变化见表 1。根据测试结果,复合土工膜在经历一次冻融循环后,由于冻胀力的影响,其纵向和横向的抗拉强度分别降低 9.4%和 8.1%,最低值分别为 4.9 和 4.4 kN/m;其伸长率下降 8%,损伤率为 5.6%。但材料的强度和极限伸长率仍然高于 90%,表明复合土工膜的性能损失较小,不会对工程的安全造成影响。83陈 凯:冻胀对混合衬砌型梯形渠道的影响第 11 期表 1 复合土工膜参数部位横向抗拉强度/kNm-1纵向抗拉强度/kNm-1极限伸长率阳坡48.151.2137底部47.251.2134阴坡47.350.11354 结 论本文以梯形截面为例,采用室内试验方法,对东港市土壤改良试点的灌溉与排水工程冻土区刚柔混合衬砌梯形渠道的冻胀机理进行了系统的分析。结论如下:1)刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温变化趋势与气温变化趋势相同。即当气温下降或上升时,刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温也随之下降或上升。2)随着最低地温的升高,冻胀力逐渐减小,最后稳定在一个负值,这是由于最低温度升高导致渠基土壤融化下沉所致。3)深度 60cm 处是土壤水分最高的地方,也是土壤冻结锋面所在,这使得渠底和阴坡受到较大的冻胀作用。4)复合土工膜在经历一次冻融循环后的性能损失较小,不会对工程的安全造成影响。参考文献1 王正中,江浩源,王羿,等.旱寒区输水渠道防渗抗冻胀研究进展与前沿J.农业工程学报,2020,36(22):120-132.2 宋玲,欧阳辉,余书超.混凝土防渗渠道冬季输水运行中冻胀与抗冻胀力验算J.农业工程学报,2015,31(18):114-120.3 江浩源,王正中,王羿,等.大型弧底梯形渠道“适缝”防冻胀机理及应用研究J.水利学报,2019,50(8):947-959.4 肖旻,王正中,吴浪,等.寒区预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型J.水利学报,2023,54(2):244-253.5 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