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 030900）

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42+958.9～43+008.9，渠道为东西走向，断面型式为弧形坡角梯形断面，设计流量4.75 m3/s，坡角弧度半径3.0 m，渠深2.2 m，渠底宽 2.0 m，边坡 1：1.25，渠道纵比降1/3 039，属半挖半填渠道。试验区地处大陆性季风带，年平均气温10℃，最高气温39.4℃，最低气温-25℃。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C20混凝土，内衬0.2 m×0.2 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。

3 原形观测结果分析

3.1 观测结果

经过历时141 d（2008年11月8日—2009年3月28日）完整冻融周期的原形观测，期间最低气温为1月17日的-12.2℃，最高气温为3月28日的17.2℃，观测年份具有代表性。渠道典型断面渠底Ⅰ点地温的最小值-11.14℃，渠道衬砌变形最大为Ⅴ点12.7 cm，观测期渠基土重量含水率16.2%～24.5%，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），12月19日开始日平均气温稳定在0℃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，之后随气温同步快速回升。

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11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，12月8日以前试验段渠道冬灌行水，水位线以下Ⅰ点至Ⅳ点渠基直至12月7日并未发生冻结，水位线以上Ⅴ点至Ⅵ点从11月14日开始冻结，但由于土壤含水率和气温等条件局限，冻结深度发展至11月18日趋于稳定。随着基土负积温度的急剧攀升，在温度梯度的作用下，12月7日开始冻土层深度随时间的延续而累积增长，冻土层推进程度较1月5日基土负积极值温度具有滞后性，1月17日渠基冻深趋于稳定，并略有回缓。2月21日左右受日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Ⅱ～Ⅵ点冻深逐渐减小至零，截至3月28日渠基冻融过程结束。

3.4 防渗衬砌层冻胀融沉分析

在冷凝水作用下，渠道刚性衬砌层与其下冻土层冻结为整体互相约束，冰结缘与未冻基土之间抗剪强度相对降低，形成抗剪薄弱面，使衬砌层作为受压、受拉或受弯构件，作用力主要表现为切向冻胀力和法向冻胀力。试验过程12月8日前冬灌行水，停水后基土处于高含水状态，基土温度骤降导致土体冻胀和冷锋面的变化。渠道衬砌层整体沿薄弱面滑移，表面发生剥蚀和裂缝现象（见图4）。其中衬砌层Ⅰ点隆起变形，Ⅱ～Ⅵ点沿渠坡滑塌，在12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Ⅲ～Ⅵ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。

4 结语

第一，渠道衬砌冻胀破坏最显著阶段发生在停水初期，因此渠道冬季使用情况对衬砌层冻胀破坏具有重要影响，今后应对冬季渠道运行管理进一步实验和实践，探索适合当地情况的行之有效的调节运行方案和管理经验。

第二，根据渠道衬砌变形复位情况，试验段渠道衬砌边坡中下部采用反拱结构、衬砌层适度加筋，对提高工程耐久性具有技术可行性。此外，冻结期渠堤含水率较高时应适当考虑设置排水沟、反滤体及透水土工织物，这样有利于透水排水，降低渠堤浸润线，消纳部分对衬砌体作用的冻胀力，减轻衬砌层冻害。

第三，试验段采用刚性衬砌层加土工薄膜结构型式，防渗作用显著，但对基层土保温作用并不明显，局部重要渠段应考虑适当应用聚苯板等辅助保温材料。

文中仅对一坝西干渠局部渠道进行原型试验，而不同灌域的气温、地下水位动态、渠床土质、渠线走向及管理运行条件均不同，所以今后应加强不同渠道防渗冻胀试验研究，进行系统归纳总结。