U形混凝土衬砌结构冻胀性能离心模型试验研究

唐少容，王红雨，潘 鑫，顾行文，任国峰



U形混凝土衬砌结构冻胀性能离心模型试验研究

唐少容1,2,3，王红雨1,2,3，潘 鑫1,2,3，顾行文4，任国峰4

（1. 宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2. 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021； 3. 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021；4. 南京水利科学研究院，南京 210029）

为了控制季冻区渠道混凝土衬砌结构的冻胀破坏程度，基于小型U形渠道混凝土衬砌结构的冻胀破坏特征及抗冻胀性能，通过取消衬砌结构的刚性接缝形成整体式大跨度U形混凝土衬砌结构，并利用冻胀离心模型试验研究该衬砌结构的冻胀效应。试验表明，土温在冻结前期降幅较大，渠坡两侧土体降温快于渠底。整体式大跨度衬砌结构呈偏心受力状态，坡板上部上表面受拉，底板上表面受压。变形性能良好，在持续负温作用下没有发生明显的破坏，冻胀变形从坡板变形开始，随着渠道底部土体温度的下降，引发结构整体变形，底板大幅抬起。结构以向上抬升为主，同时沿法向向衬砌结构中心收缩。底板和坡板的抬升最大分别可达16、4 mm。渠坡向内回缩约5 mm。整体式大跨度U型混凝土衬砌结构抗冻胀性能良好，能在一定程度上减轻衬砌结构的冻胀破坏。

渠道；冻土；温度；离心模型试验；整体式大跨度U形混凝土衬砌结构；冻胀

0 引 言

目前，宁夏引黄灌区的支斗级渠道以U形混凝土衬砌为主，其横断面分为整体式、由两块板拼接而成的两拼式、由三块及四块板错缝拼接而成的多拼式等不同型式[1]。板块之间及每跨之间均用细石混凝土或水泥砂浆填充并连接，在纵横两方向形成了与板厚同宽的接缝，为将此接缝与渠道伸缩缝相区别，称其为刚性接缝。

针对季节性冻土地区混凝土衬砌结构易发生冻胀破坏的现状，许多学者从多孔多相介质带相变的固、液、气、热耦合[2-5]及冻土本构模型[6-9]等方面进行研究。针对渠道的衬砌结构，文献[10-11]进行了模型试验研究，探讨了不同型式渠道的冻胀机理及冻胀特征；分析冻结力及冻胀力共同作用下衬砌结构的受力特点[12-20]。李学军等[21]指出，U形渠道混凝土衬砌下部为反拱，整体性较好，能充分利用混凝土良好的抗压性能。唐少容等[22]对三拼式小型U形渠道进行冻胀力学分析，认为横断面内弧形板与直板交接处的刚性接缝是冻胀作用下的受力薄弱点。

笔者项目组经过近5 a的实地观测发现，季节性冻土地区小型U形混凝土衬砌结构的冻胀破坏现象大量存在，在宁夏引黄灌区，几乎所有相邻的整体式衬砌结构板跨间的刚性接缝都出现开裂、脱落等状况，衬砌板与侧面基土脱开；两拼式衬砌结构两侧的板块沿渠底纵向的刚性接缝抬起、开裂；三拼式衬砌结构沿着渠道纵向的刚性接缝全部断开。呈现出衬砌板的开裂现象在刚性接缝处较为密集、严重的趋势。如何控制渠道衬砌结构的冻胀破坏成为季节性冻土地区灌区面临的重要问题之一。

基于整体抗冻胀的理念，同时考虑到刚性接缝与混凝土衬砌板在材料、施工等方面的差异及沿渠道纵向可能存在的水分、温度不均匀等状况，加上U型衬砌结构在受力方面的优越性，笔者项目组在小型U形混凝土衬砌板的基础上，保留渠道伸缩缝，加大板跨，取消渠道纵横向的刚性接缝，形成整体式大跨度U形混凝土衬砌结构，以期改变密集分缝的传统衬砌结构形式带来的弊端，在仍然能够充分利用U形结构抗压性能的前提下，形成纵横双向整体性能优良的衬砌结构，设法达到控制衬砌结构冻胀破坏程度的目的。

衬砌结构的冻胀效应依赖于土体冻结过程，而土体的冻结往往历时较长，离心模型冻胀试验可以将土体冻结时间压缩，通过较短的时间模拟结构的持久效应，同时应力状态真实，可以直观地反映土体冻胀及结构的冻胀效应。中国冻土离心模型的试验研究，尤其是针对寒区渠道冻害研究的离心模型试验开展的较少，目前该方面离心模型试验研究的报道仅有一例[23]。

为探究冻胀作用下整体式大跨度混凝土衬砌结构的冻胀变形特征及破坏机理，笔者课题组利用南京水科院岩土工程研究所的TLJ-60A型岩土离心机，开展冻胀离心模型试验，为其在季节性冻土地区的应用提供科学依据，同时为将离心模型试验用于渠道衬砌结构的冻胀性能研究提供参考。

1 冻胀离心模型试验

1.1 冻胀离心模型试验原理与相似准则

离心模型试验是将模型置于离心机中，借助离心机的高速旋转，使1/缩尺的模型承受∙离心加速度的作用，为相似比尺，为模型创造与原型应力水平相同的应力场，从而使原型的性状在模型中再现的一种物理模拟手段，极大地弥补了传统模型试验的不足[24]。冻胀离心模型试验与其他土工离心模型试验不同之处在于需要在模型应力场的基础上加上温度场。相似准则是冻胀离心模型试验的理论依据。离心模型试验技术中与几何尺寸、材料性质、外部条件以及性状反应的主要相似准则见文献[25]。利用Butterfield量纲分析法建立渠道冻胀离心模型试验相似准则[26-27]，当模型采用与原型相同的土体和水时，离心模型中土体热扩散效应、未冻水迁移以及融沉固结的时间比尺均为2；未冻水迁移的流速之相似比尺为1/；冻胀量的相似比尺为；孔隙压力、基土与衬砌间剪应力、冻结力的相似比尺为1。

1.2 试验设备与仪器

离心机最大容量60t（为重力加速度），有效半径为2 m，最大离心加速度为200。在离心机内加入冻融模型箱、热交换系统、循环冷却水系统、测量系统及控制系统等使土体冻结的模块[11]，构成冻胀离心模型试验系统，土体和渠道模型均放置于模型箱中。设备及制冷系统如图1所示。冻融模型箱是放置模型的空间，要求具有良好的保温与隔热性能，由外箱、内箱和夹层填充材料构成，模型箱内部长、宽、高分别为750、350及450 mm。热交换系统为模型提供换热条件，本次试验利用半导体材料形成间接热传导装置[11]。循环冷却水系统用以带走半导体热端温度并将水排出到地面。

1. 模型箱 2. 半导体热交换板 3. 冷凝器I 4. 冷凝器II →水流方向 5. 水泵 I 6. 水泵 II 7. 进水口 8. 出水口 9. 水箱

1.3 模型制备

试验用土为宁夏青铜峡市邵岗镇沙湖村输水渠道工程现场地面下1 m深处的渠基土。土体呈浅褐色，土粒较为松散。天然密度为1.67 g/cm3，天然含水率为15.73%。按《土工试验方法标准》（GB50123-1999）测得液限为30.98%，塑限17.58%，塑性指数13.40，最大干密度1.88 g/cm3，最优含水率16.03%。根据《土的分类标准》（GB/T50145-2007），确定该渠基土为粉质砂土，其颗粒级配如表1所示。

表1 渠基土的颗粒级配

参考宁夏当地的渠道尺寸，取原型整体式大跨度混凝土渠道衬砌结构如图2a所示。模型的相似比尺应结合模型箱空间的大小及过小模型的尺寸效应，同时，模型渠坡两侧必须放置一定厚度的土体以保证衬砌结构受到充分的冻胀作用，因此取相似比尺=12.5，离心加速度为12.5。模型渠道沿纵向的跨度为550 mm，纵、横向均无刚性接缝。模型渠道的衬砌尺寸如图2b所示，设计水位高度为渠顶下12 mm处。

图2 原型和模型整体式大跨度渠道衬砌结构及参数

冻胀试验首先要使土体充分冻结，因此要尽可能在较低的温度下进行。该离心机最低可以设定的温度是-35 ℃，实际上温度不断波动，并且最低值达不到-35 ℃的程度。故为了研究衬砌结构的抗冻胀性能，目标边界温度设为-35 ℃，从上到下单向冻结，初始温度为12 ℃，取自地下离心机机房的室温。

按几何相似和热学相似原则，水泥砂浆的导热系数与混凝土相近，约为1.1 W/(m·K)，故选取水泥砂浆制作衬砌结构模型。模型衬砌结构厚5.6 mm。为保证衬砌结构模型的制作质量，向专业公司订做了制作U形衬砌的金属模板，按图2b制作衬砌结构，成型后标准养护28 d。

由于热交换板上可以有效利用的传感器安装孔的数量和位置有限，若与模型箱纵向平行地开挖渠道、布置模型，部分测点的测量设备安装难度较大，因此，渠道开挖及模型布置均略与模型箱纵向成约23°的倾斜角，如图3所示。

注：Y2、Y3、Y4、Y5为应变片。

为保证冻结效果的可靠性，试验土体应尽量接近原型土体的天然含水率。将土体按设计含水率充分均匀拌制后，多次调整含水率至15.7%±1%后用薄膜包裹静置。模型安装尽量快速，以保证水分不过分减少。

模型箱上表面预留10～30 mm的空间用于铺设渠道衬砌和埋设传感器。首先将土按设定含水率和干密度按40 mm一层，分层击实至设定高度，制成水平地基，每层用土21.4 kg。击实完成后，在渠侧基土厚度足够的前提下，按设计尺寸将模型断面挖出，形成用以铺设衬砌结构的渠道。

热交换板架设在模型箱顶部兼做顶盖，热交换板上方开孔，孔内设置传感器安全套，传感器安置于该套内，并将套与顶盖用锁紧螺母固定[11]。传感器布置完毕后，数据线从孔洞穿出，并用绳子固定在离心机机架上，以免试验过程中摆动。放置好顶盖后，在其四周贴上保温泡沫板以增强模型箱的保温性，并将模型箱和顶盖牢固地固定在离心机上。

1.4 测试内容及方法

1.4.1 基土温度测量

由于热交换板上用于装设传感器的位置有限，因此直接利用制冷板温度表示衬砌结构混凝土表面的温度。土体温度利用工作范围为‒200～800 ℃的PT-100铂电阻温度传感器进行测量，传感器布置如图4所示，其布置主要考虑衬砌板坡板、底板的温度测量与变形测量尽量一致。首先确定热交换板上用以穿过温度传感器线的孔位置，在衬砌结构上标注记号，然后分别在基土相应位置处埋设温度传感器：一侧直线段与弧线段交接处下表面及下表面法向16、56 mm处，图中以T2、T3、T4表示，利用水平和竖向坐标控制传感器位置；渠底衬砌板底面及以下方16、56 mm处，以T6、T7、T8表示；T12位于渠道顶面以下80 mm处。以渠道顶面处为起点，温度传感器在土体中的埋深由上至下依次为T2、T3、T4、T12、T6、T7及T8，将埋深按相似比尺放大12.5倍，即可得到相应的原型土体埋深分别为600、700、837.5、 000、1200、1400、1900 mm。

1.4.2 衬砌结构变形测量

衬砌结构表面的竖向变形由Soway回弹式位移传感器LVDT测量，型号为SDVB20-15A，其外径20 mm，长度200 mm，外形为用304不锈钢制成的圆柱体，量程0~15 mm。如图4所示，在坡板直线段与弧线段交接处和底板中心各设位移传感器1支，分别记为S1、S2。传感器的可伸缩测杆与衬砌板表面接触，竖直向下布置。传感器布置好后自动记录初始值。

注：T2、T3、T4、T6、T7、T8、T12为温度传感器；S1、S2为位移传感器。

1.4.3 衬砌表面应变测量

将应变片以全桥连接的方式测量衬砌结构上表面的应变。如图4所示，分别在与原型相应的设计水位高度、直线段与弧线段交接处（左右2处）、渠底处布置低温应变片，分别记为Y2、Y3（Y5）、Y4，其中，Y3和Y5沿渠道纵向对称布置，贴完应变片后的模型见图3。

1.4.4 基土含水率测量

试验结束后，立刻在模型箱中取土进行含水率测量。由于制冷对衬砌模型及旁侧土体是均匀的，因此在衬砌结构半跨位置、靠近渠坡顶部处，沿铅垂方向在基土内依次取25、48、67、100、116及150 mm深度处的土样进行含水率测定。

2 试验结果及分析

2.1 基土温度场

图5为将模型试验结果换算为原型结构后的温度变化曲线。

根据相似准则，原型与模型的时间相似比尺为2，离心机以设定加速度运行9.2 h即可实现原型冻结60 d。图5a中的横坐标为经换算后的原型基土冻结时间。试验当日，首先开启2.5 h的地面水循环，将土体温度从初始温度下降至图5a中的起始温度，即0 d对应的温度。然后开机，3 min后达到试验加速度，开启水泵与制冷仪。由于制冷板与其下部的模型顶部间存在约3 mm的空气层，因此渠道基土温度下降慢于制冷板。靠近制冷板的土体降温快，渠坡两侧土体温度下降快于渠底部的土体，反映出混凝土衬砌板和空气层对基土有一定程度的保温作用。冻结前期温度降幅大于后期。图5b为第60 d时，原型基土不同铅垂深度处的温度变化曲线。温度利用图4中的温度传感器测得。按1.4.1节温度传感器代表的原型土体深度，温度从上向下传递，靠近上部的土温下降更快，温度更低，越靠近底部，土温下降较慢，土温略高。由于T3距离离心机制冷板比T4近，冻结的约前20 d，T3处土温较低，进入到试验的后部分，随着整体温度的下降，T4的土温明显下降，加上T4上部的土体没有混凝土衬砌板的覆盖，因此T4处土温低于T3。从温度变化曲线来看，在离心场下土体降温是合理的。

注：原型冻结时间以离心机在设定加速度下运行9.2 h，时间相似比尺为12.52 换算得到，下同。

2.2 基土含水率变化

试验结束后，打开模型箱，土体中存在大量冰屑。图6为试验结束后测点的含水率曲线。土体初始含水率均匀，为15.7%±1%。冻结结束后，土体深处的含水率较小，甚至低于初始含水率；越靠近渠道表面，含水率增加，超过初始含水率。由于本试验是在不补水的状况下进行的，因此水分的变化程度较小，以原位冻胀为主，但含水率变化趋势基本可以定性地体现出水分向冻结面的不断迁移。

图6 土壤含水率变化曲线

2.3 衬砌结构应变变化

图7为衬砌结构的应变变化曲线。原型与模型应变的相似比尺为1。

图7 整体式大跨度U形混凝土衬砌结构应变曲线

试验过程中Y5失效。Y2的测试结果表示混凝土衬砌结构的上表面在设计水位高度处受拉，Y3为衬砌结构的上表面在坡板与底板交接处受压，在冻结中段，Y2与Y3绝对值对称，可认为坡板从顶端的偏心受拉逐步过渡为与底板交接处的偏心受压。Y4是底板测点，应变是较均匀的负值，表明底板混凝土的上表面受压。坡板应变大于底板。坡板和底板不同的应力状态一方面表明衬砌结构在重力、法向及切向冻结力和冻胀力作用下，呈偏心受力状态，另一方面也再次证实U型渠底更利于混凝土受压性能的发挥。这与文献[21，28]中的分析结果一致。

2.4 衬砌结构变形

试验结束后打开模型箱顶盖，结构外观没有发生开裂。图8是整体式大跨度衬砌结构的变形随时间的变化曲线。变形的相似比尺为=12.5。

图8 整体式大跨度U形混凝土衬砌结构冻胀变形曲线

由图8可见，衬砌结构的坡板和底板均沿竖直方向发生了向上的变形。变形主要集中于前5 d左右完成，随后，测点处的坡板和底板变形基本稳定，这与温度变化一致。底板向上抬升明显，最大可达16 mm，坡板抬升较少，约为4 mm。在冻胀过程中，衬砌发生的形变可以分为竖向和法向2个方向，若设坡面与竖直方向的角度为，由位移计测得的竖向位移为，可以估计到坡板的法向位移约为sin，如图2，取=22°，计算出测点处坡板的法向位移约为1.5 mm。试验结束后对衬砌结构开口宽度进行测量，发现坡板顶部开口宽度变小，说明衬砌结构顶部向内回收，变形约为5 mm。综合来看，整体式大跨度衬砌结构的变形性能良好，在冻胀作用下以向上抬升为主，同时沿法向向衬砌中心收缩。结合图5a，整体式大跨度衬砌结构的冻胀变形始于坡板变形，随着渠道底部土体温度的下降，引发结构整体变形，衬砌结构底部大幅抬起，这与张钊等[28]的结论一致。

3 讨 论

混凝土衬砌结构的冻胀效应是土壤、水分、温度及结构受力特性综合作用的结果。

如图9所示，宁夏青铜峡地区某三拼式U型斗渠的混凝土衬砌结构，其基土、水分及纵横尺寸均与图2相同，沿渠道纵向产生与刚性接缝贯通的裂缝，这种开裂方式在当地非常普遍，导致渠道渗漏逐年加剧。产生这种裂缝的主要原因一是受负温和水分的影响，渠道横断面内渠坡处的冻结和冻胀作用强烈，导致坡板折断[29]；二是沿渠道纵向的刚性接缝是板受力的薄弱之处。在土、水、温等条件一定的前提下，开发新型的、抗冻胀能力更好的衬砌结构，是解决冻土地区渠道防渗抗冻胀问题的途径之一。整体式大跨度衬砌结构利用整体抗冻胀理念，取消刚性接缝，将若干板块联接在一起，视为一个纵向跨度较大、整体的无刚性接缝的体系，减少减轻冻胀破坏，提高衬砌结构的抗冻胀能力。本文通过离心模型试验研究这种整体体系的抗冻胀性能，后续还应结合其他手段，对该体系的冻胀破坏机理深入研究。

图9 三拼式小型U形混凝土衬砌结构的冻胀破坏

在土体冻融试验和野外观测中，均认为冷空气是从上到下单向影响渠道土体的，获取的重要参数之一是冻结深度，是从竖直方向上衡量土体的冻结程度和状况；本文试验温度传感器的布置一方面追求与变形观测位置对应，另一方面主要从竖直深度的角度观察不同高度处土体的冻结程度，因此，温度传感器水平定位虽然不同，但也仅仅说明混凝土板对土体有稍许的、短暂的保温作用，对于后续衬砌板变形等研究内容影响不大。另外本试验目前还存在一些问题：离心机的热交换设备尚无法实现对温度变幅的精确控制，难以做到完全还原原型温度场；由于离心试验本身存在一定的误差，因此离心模型中很难精确模拟所有原型结构的细节及所有力学过程，尤其是沿渠道纵向水分和土质的差异等因素；受到模型箱空间的限制，传感器布设的位置和数量很有限，未能更全面地测量与结构冻胀效应有关的参数，而温度、位移、应力等测试元件的精度、大小、布置方式及位置等因素对测试结果的影响很大；未能实现补水冻结。这些问题还需要进行后续的研究。

4 结 论

1）土体温度在原型冻结前期降幅较大。随冻结时间的增长，土体温度不断下降。渠坡两侧土体降温较快，混凝土衬砌板下的土体，尤其是渠底部分温度下降相对较慢。

2）整体式大跨度衬砌结构呈偏心受力状态，坡板上部上表面受拉，底板上表面受压。变形性能良好，在持续负温作用下没有发生明显的破坏，冻胀变形从坡板的变形开始，随着渠道底部土体温度的下降，引发结构整体变形，底板大幅抬起。结构以向上抬升为主，同时沿法向向衬砌结构中心收缩。底板和坡板的抬升分别最大可达16、4 mm。坡板向内回缩约5 mm。整体式大跨度衬砌结构良好的抗冻胀性能可为改进小型U形混凝土衬砌结构提供依据。

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Frost heave performance of U-shaped canal concrete lining based on centrifuge model test

Tang Shaorong1,2,3, Wang Hongyu1,2,3, Pan Xin1,2,3, Gu Xingwen4, Ren Guofeng4

(1.750021,; 2.750021,; 3.750021,; 4.210029,)

Small U-shaped canal concrete lining are easily destroyed because of frost heaving in seasonally frozen areas. Along the longitudinal and horizontal direction of concrete lining, rigid joints are formed of cement-sand mortar or fine aggregate concrete with same width as plate thickness.These joints exist between the plates or every two spans of lining. Previous research has founded that the destruction of concrete lining is always related to the rigid joints, because of the distinction between rigid joint and concrete lining on material and construction sequence, resulting in uneven distribution of water temperature along the canal longitudinal at the same time. So, canceled the rigid joint paralleling to the longitudinal channel, reduced the rigid joint paralleling to the cross section and enlarged the span of lining, eventually formed lining structure which with excellent performance in either longitudinal or horizontal direction. Aiming at controling the frost heave damage of the lining structure while still able to make full use of the U-shaped structure for compression performance, an integral long-span U-shaped concrete lining structure was proposed based on traditional small U-shaped concrete lining. Because centrifugal model test can reproduce the performance of the prototype in the model with great reality, freezing centrifugal model experiment of proposed lining was carried out to researchthe frost heaving characteristics. This study took a silty sandy soil based bucket canal concrete lining as a prototype in Yellow River irrigation area in Ningxia. According to the section size of the prototype canal and the space of the model box of geotechnical centrifugel, a model lining was made withthe similarity scale of 12.5 to perform centrifuge model test. The centrifugal acceleration was set to 12.5times the acceleration of gravity, and model lining was unidirectional freezing from top to bottom with the target boundary temperature of -35 °C. Experiment showed that soil temperature decreased greatly in the early freezing stage, and decreased faster on both sides of canal slope than canal bottom. The integral long-span U-shaped concrete lining structure was eccentrically loaded, with upper surface of top slope in tension and the upper surface of bottom lining in pressure. Deformation of the structure began with canal slope. With the decrease of soil temperature of canal bottom, the integral deformation were caused, and then the lining bottom of canal was raised sharply. Comprehensively, the structure had good deformation performance , and no obvious damage occurred under continuous negative temperature. The structure was mainly uplifted upward, and meanwhile contracted to the lining center along the normal direction. The maximum uplift of canal bottom and canal slope could reach 16 and 4 mm respectively. The canal slope retracted about 5 mm inward. Therefore, integral long-span U-shaped concrete lining structure had good frost heaving resistance and the frost heaving damage could be reduced to a certain extent. Meanwhile, the frozen effect research of canal lining structure using centrifugal model experiment could be further understood and verified. This study could provide a reference for the design of U-shaped canal in frozen soil area.

canals; frozen soils; temperature; centrifugal model experiment; integral long-span U-shaped concrete lining structure; frozen

2018-04-16

2018-10-30

国家自然基金项目（51269023）；宁夏大学自然科学基金项目（ZR16010）；宁夏重点研发项目（引才专项）资助项目（2018BEB04035）

唐少容，宁夏中宁县人，博士，副教授，主要从事冻土地区结构设计及理论方面的教学和科研。Email：tangsrong@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.019

S26+3

A

1002-6819(2019)-01-0157-07

唐少容，王红雨，潘 鑫，顾行文，任国峰. U形混凝土衬砌结构冻胀性能离心模型试验研究[J]. 农业工程学报，2019，35(1)：157－163. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.019 http://www.tcsae.org

Tang Shaorong, Wang Hongyu, Pan Xin, Gu Xingwen, Ren Guofeng. Frost heave performance of U-shaped canal concrete lining based on centrifuge model test[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 157－163. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.019 http://www.tcsae.org