季节性冻土区渠道防冻胀设计及效果模拟

2018-08-24李斌

水科学与工程技术 2018年4期

李斌

（阜康市九运街镇农业（畜牧业）发展服务中心，新疆阜康 831501）

1 工程概况

某灌区为季节性冻土区域，全年平均气温为6.7℃，昼夜温差较大，最低温度为-37℃，最大冻土深度1.5m。梯型渠道衬砌混凝土在低温下受到反复冻胀力的作用，破坏情况较严重。以往对渠道修复过程中，往往只重视冻土清理、坡道修整、勾缝质量等工作。但修复后的渠道在运行3年后，再次发生冻胀破坏。本文在总结以往经验和借鉴类似地区成功做法基础上，采用套砌方法改造渠底及坡脚的加固方案，渠道频繁冻胀问题得到有效控制。

2 渠道加固改造措施

本渠基土冻胀级别为Ⅰ～Ⅲ级，考虑受冬季灌溉水、渠系排水条件较差、侧向补给水等问题，需要采取有效的防冻措施。基于渠道基土不透水、水位升高等实际情况，对灌区渠道进行改造：削减基土冻土，采用砌石改善衬砌结构，并将原渠道敏感性冻土换成非敏感冻胀土。对于不同地下水出露情况，块石套砌方案分别为：

2.1 地下水未出露渠段

渠段中地下水埋深未在渠底出露，且水位埋深较浅，渠段基础有良好排水条件，不会造成地下水的滞留。这种类型渠段的改造处理措施在于对关键部位进行补强，尤其是冻胀变形情况严重的位置，采用加强衬砌结构的方式强化自身抵抗冻胀变形的能力。渠底基础用浆砌石进行套砌，厚度控制在50cm，距离渠底150cm位置以下边坡同样采用浆砌石进行套砌，边坡套砌石厚度控制在30cm。同时在渠底与边坡交接处下方各留暗沟，暗沟宽度50cm，高度40cm，其目的在于提高整个衬砌结构的稳定性。

2.2 地下水出露段

渠段中地下水埋深在渠底有出露，且水位埋深较浅，渠段基础排水条件欠佳，渠道两侧渗流水补给条件好。这种类型渠段的改造处理措施在于拆除部分渠道，并采用块石套砌护砌的方案，拆除内容包括渠道底部、坡脚1.5m的强冻胀区渠道。渠底采用浆砌石进行填筑，但在渠底内砌干砌石进行套砌，渠底干块砌石单元为正方形，边长100cm，每个干块砌石单元间隔距离20cm。坡脚上方1.5m同样进行块砌石套砌，渠底上方50cm记性浆砌石施工，渠底上方高度在50～150cm的坡段位置进行干块石衬砌。

3 数值模型建立

为进一步掌握渠道换填之后的抗冻胀和融沉效果，运用数值模拟软件COMSOL对换填前后渠道运行状况进行对比，并对改造方案进行预测性评价。建立梯型渠道模型过程中，下边界选择渠顶向下9m边界，左右边界选取衬砌板两侧左右各延伸5m距离，模型材料参数设置如表1。

表1 梯型渠道模型参数

4 模拟效果分析

4.1 法向位移变化

衬砌板法向位移模拟中，设置计算步长7d，计算周期1a。模拟得到渠道换填前后渠道衬砌板法向位移情况如图1。

图1 渠道换填前后衬砌板法向位移

分析得到，从11月份开始到次年的2月份，渠道基础土水份在低温环境下开始冻结，土体冻胀量和衬砌板法向位移量逐渐增加，约在2月底，法向位移量达到最大值；到次年3月、4月，法向位移量开始逐渐减少，这与实际情况非常吻合。渠道换填前后均在2月底达到最大法向位移，换填之前渠坡最大法向位移量7.8cm，而换填后仅3.6cm，减少幅度达54%；换填前的渠底衬砌板最大法向位移量18.2cm，换填后4.0cm，减少幅度达78%。同时换填后的位移量数值更小，且位移分布更均匀，不存在位移量骤然增加情况。

4.2 应力场变化

对渠道混凝土衬砌结构影响最大的作用力为法向冻胀力，而切向冻结力影响着整个衬砌板结构的应力分布情况，可能造成坡脚等部位应力集中。分析换填前后渠道发生最大法向位移量时（2月份）的法向冻胀力和切向冻结力变化情况，如图2。

图2 渠道换填前后衬砌板法向位移

由图2可知，最大应力发生在坡脚位置，换填之前最大法向冻胀力和切向冻结力分别为4.98，8.09MPa；采用块石套砌之后的应力情况得到明显改观，未出现大幅度应力波动情况，渠道衬砌结构整体受力比较均匀。坡脚最大法向冻胀力和切向冻结力分别为1.34，1.40MPa，相较于换填施工之前，法向冻胀力和切向冻结力削减幅度分别可达73%，83%，应力值均在衬砌结构承载强度之内，不会对衬砌结构安全造成威胁。

分析可知，采用干砌石套砌方案后的渠道冻胀位移量得到有效控制，衬砌板结构应力分布较为合理，不均匀系数有明显改观，最大应力得到大幅度削减，方案抗冻胀效果明显。