张掖大满灌区混凝土渠道冻胀特征试验研究

2018-08-30张永玲张鹏宇成千兵

水利科技与经济 2018年4期

张永玲，肖让，张鹏宇，成千兵

(1.河西学院土木工程学院，甘肃张掖 734000；2.河西走廊水资源保护利用研究所，甘肃张掖 734000)

0 引言

张掖市大满灌区位于甘肃河西走廊中段，属灌溉农业区，渠道灌溉是该区域主要的输配水方式。近年来，张掖市水利管理机构积极开展水利工程改造与续建配套，灌区输配水条件大幅改善。但是由于张掖市属季节性冻土区，冻融破坏作用明显，一定程度上削弱了该灌区的输水效率，影响灌区健康发展。关于渠道冻胀的研究文献很多，银英姿[1]等针对内蒙古临河地区南边分干渠冻胀破坏问题，通过现场保温防冻胀试验，分析了各种保温措施下渠道基土的地温、冻深、含水率和冻胀量等影响冻胀变化因素的规律及其特征。李根等[2]针对北方寒冷地区渠道冻胀破坏的特点及置换防冻胀技术应用中存在的问题，提出了混凝土衬砌渠道置换防冻胀标准化结构形式，明确其适用条件和范围，确定置换层施工的技术要求，并基于热阻等效原理建立置换层厚度的计算公式，确定了计算修正系数。姜海波[3]等借助季节冻融条件下刚柔混合衬砌梯形渠道的原型观测成果，分析了刚柔混合衬砌渠道的最低地温变化规律、冻深变化规律和冻胀量与冻胀力的变化规律。张栋[4]等针对内蒙古季节性冻土地渠道混凝土衬砌严重冻胀破坏现状，提出在该地区渠道混凝土衬砌下面铺设不同厚度的新型保温材料聚氨酯保温板来解决，并在该地区进行了试验研究。由于梯形断面结构特点影响，渠基因受到冻胀力不均匀等因素从而引出大量相关的渠道冻胀破坏机理[5]。也有学者认为寒冷地区地表土层由于气温年周期波动产生反复冻结和融化，突出表现在3个方面：①由于水分迁移引起分凝冰层出现，导致土体冻胀；②伴随水分迁移产生溶质迁移，引起土层中高浓度带出现，导致土层中融弱层的产生；③内外应力作用下土颗粒位移，引起冷生剖面的变化，导致土体性质改变及部分不良物理地质现象出现等[6]，为灌区的防渗衬砌冻胀破坏成因与防治对策研究提供了重要依据。但是围绕张掖市特殊气候及土质状况下的渠道冻胀问题研究文献还较少，因此探明渠基冻胀因素的冻融变化规律及渠道冻胀变形关系，可为该区域灌溉渠道设计及施工提供理论依据及技术指导。

1 研究区概况

张掖大满灌区骨干渠道——大满干渠地处黑河流域中游，气候寒冷，多年平均气温在7℃左右，温差最高可达31℃。每年11月中旬开始封冻，次年3月份完成解冻，冻结期约4个月，冻土深度达到109～123 cm。新中国成立以后，除本世纪初列入黑河节水改造项目的干支渠外，灌区其它干支渠均已运行20年以上。由于资金和各因素的限制，工程遗留隐患较多且现状工程的老化破损较严重。同时在灌溉回归水的入渗影响下，渠道冻胀破坏较为严重。

2 材料与方法

选择大满干渠上某50 m冻胀严重的渠段作为研究对象，该段渠道为上梯下弧形断面结构，施工采用现浇混凝土面板+砂砾石垫层，渠段阴面与灌溉农田相邻，阳面与公路相邻，且农田实施了冬灌。试验时间从2017年1月17日开始，3月15日结束，周期性监测渠基地温、阴坡渠基含水率及渠道面板冻胀变形的时空变化。地温监测：在试验渠段阴面渠堤埋置5个地温计，分别测定0～5 cm、5～10 cm、10～15 cm、15～20 cm、20～25 cm处的地温变化，每次观测时间均为上午10点左右。渠基土壤含水率：使用土钻法取土，烘干法测定土壤质量含水率，分别测定0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm、80～100 cm深度的土壤含水率变化，每日取土1次。渠道面板冻胀变形监测：在试验段范围内选择面板已发生隆起现象的部位进行标记，共标记8块面板，使用游标卡尺，周期性监测渠道面板标记点处的垂向位移变化。

3 结果与分析

3.1 渠基的地温时空变化

通过监测，1月17日～3月5日的渠基的地温变化见图1。随着大气温度的变化，地温也在随之变化，表层地温相对受气温的影响较大，随着土层深度增加地温也逐渐增加且变化相对较平稳。同时下层土壤地温始终表现出一定的滞后性特征，即气温升高下层土壤表现为升温较慢。

图1 渠基的地温时空变化

从图1中可以看出，在该时段正处于深冬至开春时段，土壤表层5 cm深度的地温始终较低，基本维持在-17℃～1℃之间，地温最大变幅18℃，平均地温-11℃。1月17日地温达到最低，随后地温逐渐升高，2月5日开始至2月20日前后，由于气温回落地温也随之降低，变幅1℃左右，随后地温逐渐回升，至3月5日地温升高至零上1℃。土壤其他各层变化趋势与5 cm深度地温变化趋势一致，且随着土层深度增加地温变幅相对减小，即图1中相应曲线的斜率减小，地下10 cm处的地温与15、20和25 cm处的地温变差最大3℃，与地表5 cm处的地温相比最大变差16℃。究其原因，主要是随着土层深度的增加受到的太阳辐射能力减弱，相应土层地温的变化趋势趋于平稳。另外，在监测后期土壤开始解冻，地面浅层土壤地温均有上升趋势，到3月初渠道开始为农田春灌输水，也在一定程度上提高了土壤地温。

3.2 渠基土壤含水率的时空变化

由图2可知，观测期内渠基土壤含水率随土层深度增加含水率逐渐增加，且由于开春气温逐渐升高，土壤开始解冻，表土蒸发加强，渠基表层含水率持续减小，而下层土壤含水率持续增加。其中表层20 cm处含水率在3.06%～7.1%之间变化，整体表现含水率最低，变幅4.04%；下层40 cm处的含水率在12.27%～15.43%之间，变幅3.16%。最下层100 cm处含水率在17.25%～20.69%之间，变幅3.44%。中间其余土层含水率变幅与100 cm处含水率变幅接近。究其原因，由于阴面渠基土质为砂性壤土，保水性较差，渠基上层20 cm深度受外界气温影响较大，随着气温升高蒸发加剧，导致渠基含水率逐渐减小，而20 cm以下渠基土壤随着深度增加，受外界影响相对较小，含水率变幅相对稳定。

图2 渠基土壤含水率时空变化

3.3 渠道代表点的冻胀变形特征分析

项目组从试验段28块渠阴坡板中选取8块具有代表性的现浇混凝土板为监测对象，具体见图3。

图3 渠道混凝土面板冻胀变形量

由于破坏段渠道在1月17日观测时已经发生了冻胀破坏，1月17日当天测定标记点现浇板相对未冻胀相邻板的垂向变形量，分别是：18号板4.102 cm、19号板3.35 cm、20号板0.825 cm、21号板6.428 cm、22号板4.217 cm、23号板1.658 cm、24号板3.992 cm、25号板7.21 cm，其中25号板的隆起程度最大，渠道发生了明显的冻胀变形。从1月17日～3月5日，连续监测8个代表板标记点的冻胀变形，整体表现为1月17日～2月10日前后各代表板冻胀隆起变形继续增大，最大变形发生在24号板，变形量为1.71 cm。2月10日～3月5日，随着气温逐渐升高，各冻胀板不同程度回落，回落量最大板为24号板，回落量为1.458 cm。究其原因，主要是因为渠道阴面农田冬季储水灌溉，导致灌溉水侧渗进入渠基，进入冬季气温骤降至0℃以下，渠基垫层空隙中的水分冻结，造成冻胀破坏。开春由于气温逐渐回升，结冰逐渐融化，混凝土板在自重作用下相应回落，但是回落量相比初始冻胀变形隆起而言很小，例如24号板经过一个冬季的冻融循环作用至3月5日的最终变形量为4.244 cm，25号板则为7.532 cm。