混凝土渠道衬砌的抵抗力影响因素及破坏特征研究

2013-10-19何晓琦

科技视界 2013年33期

何晓琦

（宁夏汉延渠管理处，宁夏永宁 750100）

0 引言

渠道防渗衬砌是减少输水损失、提高输水效率、保护岸坡稳定、有效控制地下水位的普遍工程措施，在发展节水灌溉中占有十分重要的地位。研究表明，没有衬砌的土渠，其渗漏损失约占总引水量的30%-60%，这就是说，如果渠道不衬砌，灌溉用水的40%-70%，将在渠道输水过程中被渗漏掉。我国目前仍有60%以上的渠道没有防渗衬砌，渠系水利用系数平均不到0.5，50%以上的灌溉水在渠道输水过程中被损失，每年由灌溉渠道渗漏损失的水量高达1650亿m3，接近我国总用水量的1/3，占农业总用水量的45%，灌溉用水浪费十分严重。采用渠道防渗工程技术，可以减少渗漏损失的70-90%，如按减少渗漏损失80%计算，每年可以节约水量1300 多亿m3，由此可见，渠道防渗节水潜力巨大。

1 混凝土渠道衬砌的抵抗力影响因素

1.1 材料强度

从材料方面说，渠道衬砌的材料具有一定的孔隙，又经常处于水环境中，其内部总是含有一定的水分，在低温下结成冰，体积会发生膨胀，当这种作用引起的应力超过材料强度时，就会使衬砌体表面产生一定数量的小裂缝，再经过数次的周期性冻融循环，衬砌裂缝的扩展增强了渗漏，加快了基土的冻胀及衬砌的冻胀破坏，加剧水分进入衬砌体内部，从而使衬砌体产生剥蚀。因此，可以通过改善衬砌材料性能来适应不均匀冻胀破坏，如聚丙烯（PP）纤维混凝土、新型土工复合防渗膜等。我国青海省试验观测，在冻胀量7-9cm时，玻璃丝布油毡防渗体，由于是柔性体能适应冻胀变形，未见破坏现象。

1.2 结构形式

从结构方面来说，渠道衬砌是修筑在渠道基土上的薄壁轻型结构，在冻胀作用下，各部位的受力不均匀，衬砌体抵抗能力不强，也易使砌体破坏，如衬砌板断裂，坡板滑塌等。因此，在设计渠道时采用合理的衬砌形式，可有效地削减、适应或回避冻胀。根据冻土工程国家重点实验室的研究结果，弧底梯形渠衬砌、弧形坡脚梯形渠衬砌和U 形渠衬砌是比较好的抗冻胀衬砌形式。

2 混凝土衬砌渠道破坏的特征

混凝土是一种刚性衬砌材料，在渠道衬砌中有预制板式和现浇式两种，多以素混凝土为主。当冬季渠床产生不均匀冻胀时，由于混凝土衬砌本身较薄，且材料弹性很小，抗拉强度低，适应变形能力差，在冻胀力作用下易出现鼓胀、裂缝、架空及整体上抬等破坏现象，又必然加剧冻胀破坏进程，这样年复一年周期性冻融循环作用，使衬砌体破坏越来越严重。

2.1 梯形混凝土衬砌渠道

梯形渠道由于坡脚处衬砌板的相互约束及其对基土冻胀的约束，冻胀分布很不均匀，邻近坡脚处的冻胀量很小，但渠底板两端受渠坡板的约束，冻胀变形中部大而两端小，渠底中部弯矩较大；渠坡板下部受底板约束，上部受冻结力约束，下部冻胀量大，所以在中下部弯矩较大；邻近坡脚的冻胀力很大，冻胀不均匀系数也大，还存在残留冻胀量，衬砌体整体上抬是由渠底向上的冻胀变形和两侧渠坡法向冻胀变形产生，但在变形过程中，渠底板受到渠坡板约束成压弯构件，渠坡板受到渠底板及冻结力约束成为偏心受压构件，所以在渠坡下部和渠底中部容易产生冻胀破坏。

梯形混凝土衬砌渠道的破坏特征是沿渠道轴线方向，渠道边坡裂缝的部位多在中下部（距边坡底部1/4-1/3 坡长处），渠底板的裂缝在中部；渠道整体在不均匀冻胀变形作用下，产生整体上抬现象，特别是地下水埋深较浅时，上抬现象更明显。图1 为渠内无水且渠顶无水补给时，均质土渠梯形混凝土衬砌结构渠道的冻胀变形及裂缝位置示意图。渠内有水时一般不发生冻害，渠坡衬砌板在水面以上部分与图示情况的渠坡变形基本相似。

图1 梯形和U 形渠道冻胀示意图

2.2 弧底梯形混凝土衬砌渠道

弧底梯形混凝土衬砌渠道是将渠道底板做成弧形，通常是现浇式，与梯形渠道相比，没有坡脚处突变的影响，衬砌板对基土冻胀的约束有所改善，冻胀变形大小和方向是连续变化的，冻胀量分布较均匀，渠底中部的冻胀力和冻胀不均匀系数较大，但渠底呈反拱，承载力较强，在法向力作用下产生较大的轴向压力，因而冻胀消融后复位能力比较强，一般无残留冻胀量，衬砌板不易产生冻胀破坏。

弧底梯形混凝土衬砌渠道的变形特征是在冻胀力作用下，上抬位移比梯形稍大，这样也就削减了一定的冻胀力，能够适应冻胀变形。但当边坡较陡时，坡板向渠内侧倾移变形较大，而且当冻胀消失后较难复原，多年积累就会发生冻胀破坏。

2.3 U 形混凝土衬砌渠道

小U 形混凝土衬砌渠道刚度大，整体性好，对基土的冻胀约束改善，冻胀量分布均匀，弧底反拱作用明显，能充分利用混凝土良好的抗压性能，承载能力较强，冻土消融后能恢复原位，不易产生冻胀破坏。大U 形混凝土衬砌渠道虽然也是U 形，但断面尺寸较大，各部位的坡向不同，日照强度不一，以及土质、水分、风力等条件的差异，加之走向不同，因而各部位的日照及温度水分状况不同，冻结状态也不同，上部冻深较大，底部冻深较小，阴坡冻深较大，阳坡冻深较小，渠坡底部冻胀量大于上部，冻胀分布不均匀，冻胀方向是渠侧向里渠底向上，因渠坡较陡，承受水平冻胀力的能力弱，累积残余冻胀变形较大，渠底的反拱作用也相对减弱，所以容易产生冻胀破坏。

如图1 所示，大U 形混凝土衬砌渠道冻胀破坏特征是：（1）渠道上部冻深较大，底部冻深较小，阴坡冻深较大，阳坡冻深较小，冻胀方向渠侧向里渠底向上；渠道衬砌变位值较大的部位出现在渠道底部和阴坡，阳坡较小或没有，渠道发生整体微小的局部上抬和朝向阳坡的微小位移和偏转，这与小U 形渠道相似；（2）渠道形体大，与梯形相比整体刚度大，局部刚度较小，与小U 形相比整体刚度较小，两侧冻胀及受力对称性差，既具有梯形渠道渠顶衬砌板受法向冻结力约束的特点，又具有小U 形渠道渠底冻胀力分布较均匀的特点；（3）沿渠道轴线方向，在阴坡直线段下部冻胀应力较大的地方易发生冻胀破坏，形成冻胀裂缝。