灌区小型U形渠冻胀破坏研究与优化

2015-10-25吾斯曼萨迪尔

黑龙江水利科技 2015年1期

吾斯曼·萨迪尔

(塔里木河流域喀什管理局，新疆莎车844700)

0 引言

西北地区降水较少但农业用水需求量大，根据农业可持续发展的要求，应该大力发展节水和高效节水农业［1］。目前农业用水一般采用水利灌渠进行传输，但水利灌渠工程一般规模巨大，其结构受到温度、洪水、地震等因素影响并出现不同程度的损坏。因为灌渠渗漏导致的农业用水损失可达农业用水量的45%。灌渠防渗漏衬砌是有效阻止水分流失的方法，从大量防渗漏工程来看，U 形混凝土衬砌性能最佳。其具有水力条件好、占地面积少、抗冻能力强等优点。

西北地区属于半干旱气候，冬季温度较低，境内水资源较为缺乏。研究表明，采用混凝土衬砌等防水措施可以减少80%的渗漏损失。但是，U 形混凝土衬砌还是会发生冻胀破坏，严重影响灌渠的使用性能。从国内外研究现状来看，尚不能准确计算出各种复杂情况下的冻胀量。目前，渠道冻胀破坏研究主要存在以下问题［2］:①学者们对引起冻胀的因素和冻胀力学模型研究尚有不同观点;②目前的研究都是在渠道横观各项同性的条件下进行的，忽略了渠道纵向不均匀性;③我国采用的整体刚性衬砌结构还不能用于防冻胀破坏，应该引进刚柔混合结构。

1 冻胀破坏特征及原因

U 形混凝土衬砌渠道目前已经在西北地区小型支渠中广泛应用，此结构中的衬砌板对渠基的约束力较少，渠基冻胀分布较为均匀。整体式U 形混凝土衬砌渠道与梯形渠道相比，占地面积较少，输水能力提高;与两拼式U 形渠道、三拼式U 形渠道相比，整体性较强，冻胀变形较小。三拼式U 形渠道直段弧段连接处的冻胀分布极不均匀，很容易出现断裂，有的渠道甚至使用一年内就出现裂缝。两拼式U 形渠道弧板与弧板相互制约，弧板中部的冻胀变形很大，此部位容易出现裂缝。因此，整体式U 形混凝土衬砌渠道应用最广。

但是，整体式U 形混凝土衬砌渠各部分受到的光照强度不同，渠基处土质、湿度、风速也有差异，这就导致渠道各部分温度分布不均，几个冻融周期下来渠道也将出现冻胀破坏。其冻胀破坏主要有以下几个特征:①冻胀方向均为法线方向;②背光面和渠道上部的冻结程度较深，受光面和渠道下部的冻结程度较浅;③渠道上部的法学冻胀力大于渠道下部，顶部和底部的切向冻胀力为0;④不易出现局部裂缝，整体性较好，在冻胀作用下出现整体抬高;⑤U形断面曲线是连续函数，不存在突变点，冻胀变形更加均匀。

整体式U 形混凝土衬砌渠的冻胀破坏后，下层水分迁移到上层同时发生冻结，体积增加导致不均匀冻胀变形，不均匀变形会使衬砌渠道发生弯曲。混凝土内部出现内膨胀力，使得混凝土的强度下降，当混凝土强度小于冻胀变形应力时就会出现裂缝。具体分析导致冻胀破坏的原因主要有:①U 形渠道各部分受到的光照、风力等条件不同，冻胀方向为由渠测向里，由渠底向上发展;②渠基各部分的高度不同，地下水埋藏深度也不同，因此导致的冻胀变形量不同;③渠底向上的冻胀变形量和渠侧法相冻胀变形量叠加后使得衬砌上移，整个混凝土衬砌版发生弯曲。

2 冻胀破坏的力学模型求解

由冻胀原因分析可知，冻胀破坏的受力分析十分复杂，受地下水位、渠基土壤含水率、温度、光照、风速等多方面影响。建立一次超静定非线性冻胀破坏模型，并对其作出以下假设:①冻胀力分布是对称的，本文只对背光面进行冻胀力计算;②法向冻胀力沿着衬砌板线性分布，在渠道顶部为0，底部最大;切向冻胀力也为线性分布，在渠道顶部、渠道底部均为0，在衬砌板中上部达到最大值;③渠道与冻土链接视为铰支座链接，切向冻结力由经验公式计算出来。

整体式U 形渠道混凝土结构断面如图1 所示。U 形渠道圆弧半径为R，渠道深度为h，衬砌厚度为b，圆弧上部直线段长L。根据受力平衡，整体式U 形渠道受到法向冻胀力和切向冻胀力分布见图2。由图2 可以看出，法向冻胀力q 的最大值在渠道底部，法向冻结力F 的最大值在渠道底部。