板缝结构对U形衬砌渠道冻胀响应的原位监测

潘鑫　王红雨　唐少容

摘要：为探索季冻区防渗衬砌渠道混凝土板缝对冻胀变形的影响，选取宁夏引黄灌区青铜峡市沙湖村高标准农田建设项目区混凝土衬砌渠道作为试验点，在同一条渠道相近渠段上对传统多拼式U形混凝土衬砌渠道的板缝结构和经过加固处理消除板缝影响的无板缝结构进行原位监测试验，并分析处理一个完整冻融周期内两种结构的冻胀量、法向冻胀力的监测数据。结果表明：在土壤温度和土壤含水率相近情况下，消除板缝影响的无板缝U形混凝土衬砌结构冻胀量均小于传统多拼式U形混凝土衬砌结构的，且前者的法向冻胀力分布更均匀。

关键词：U形衬砌渠道：板缝结构;冻胀力;冻胀量

中图分类号：TV698.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000- 1379.2019. 04.034

宁夏引黄灌区昼夜温差大，环境干燥，且受季冻区冻融循环的影响，导致农田输水渠道冻胀破坏严重，已成为高标准农田基本建设的瓶颈[1-2]。据统计，40%的渠系建筑物和32%的渠道衬砌体受冻融而破坏这[3]。目前，对灌区农田输配水渠道原位冻胀变形监测试验相对较少[4-8].为探索季冻区防渗衬砌渠道混凝土板缝对冻胀变形的影响，通过对比分析冻融期宁夏引黄灌区青铜峡邵刚镇沙湖村高标准农田建设项目区内有板缝结构和无板缝结构的U形衬砌渠道的冻胀量和法向冻胀力，研究板缝结构对U形混凝土衬砌渠道抗冻胀性的影响，为灌区U形混凝土衬砌渠道的设计提供指导和借鉴。

1 试验区基本情况

试验区位于青铜峡市邵刚镇的河西灌区，该区域主要为普通灌淤土，土壤密度为1.5 g/cm，孔隙度为51.25%。试验区年平均昼夜温差约为13℃，极端最低气温为-23.3℃。试验区的地表水资源主要来自降水，年降水量分布不均匀，导致每年地表径流量差别较大，地表径流平均深度为22.1 mm。该区域年降水量为180-200 mm，年水面蒸发量为1 100 -1 600 mm，降水量和蒸发量相差悬殊导致干旱，春季和冬季尤为突出。综上所述，试验区的渠道具有极高的冻胀破坏可能性。试验区最大冻深为37.8 cm，冻融期间地下水埋深为1.7-2.0 m。经过多年观测，试验区在12月上旬开始结冻，在第二年2月下旬开始解冻，冻结时间为80-100 d。

监测所选渠道级别为斗渠，南北走向，渠底圆弧半径为0.81 m，渠道纵坡降为111 500 - 1/2 000.渠坡倾角为200.渠道深度为1.20 m，渠道口宽为2.00 m。渠道混凝土衬砌板拼接方式为三拼和四拼交错拼接，见图1。衬砌板长1.5 m，宽0.5 m.板缝宽0.1 m。

2 多拼式U形混凝土渠道板缝结构及试验力案

多拼式U形混凝土衬砌渠道板缝结构和无板缝结构试验段选自同一南北走向的多拼式U形混凝土衬砌渠道，段长均为3.5 m。本次试验各观测指标监测周期为7-10 d/次，共12次。

2.1 试验段板缝结构处理方案

两试验段分别为多拼式U形混凝土衬砌渠道板缝结构和无板缝结构。由于该渠道板缝因多年冻胀发生破坏而降低甚至丧失连接功能，因此板缝结构试验段在该渠道上选取板缝完整的渠段，并直接在该试验段布置试验仪器，而无板缝结构试验段在选取板缝渠段的基础上，布置试验仪器前用钢筋和水泥砂浆连接衬砌板，使衬砌板间的连接更紧密，从而近似看成一个整体的无板缝结构，其处理方式见图2、图3。

在板与板间接缝处的中点两侧10 mm处各钻直径为20 mm、深度为30 mm的圆孔，再将钢筋插入并用水泥砂浆封堵圆孔，钢筋直径10 mm.长120 mm.两端弯折角度为900，弯折处长20-30 mm。待钢筋布置完成，将水泥砂浆涂抹在钢筋处并贯通连接，水泥砂浆厚度为15 - 20 mm。此结构固定了钢筋，使其不因渠道衬砌板的冻胀位移而脱落或破坏，从而增加了衬砌体的整体性，使该连接方式更牢固。观测发现：1 a后虽然衬砌板两坡圆弧段坡脚处的钢筋在水泥砂浆下发生了一定程度的错位和变形，但上层水泥砂浆并未发生破坏，钢筋也未暴露，故该处理方法暂时是牢固、安全的，但是保护层较薄且强度低，日后可能会发生破坏。

2.2 土壤温度

土壤温度是影響渠道冻胀破坏的主要因素。为了更科学地对比两试验段的冻胀情况，需要控制两者的土壤温度相近，故需两试验段临近，以保证其受到太阳辐射的时间、强度和辐射角度基本一致[9]。本次监测选取的两试验段相距10 m，满足土壤温度相似的条件，土壤温度采用热敏电阻和数字万用表观测，分别在两试验段北侧一端的渠道横断面上布置土壤温度监测点，断面上仪器布置点位如图4所示，即在两坡面距渠顶20 cm处、两坡面距渠底三分之一渠深处，垂直衬砌板下10、20、30、50、70 cm深度处和渠底处垂直衬砌板下10、20、30、50、70、100 cm深度处分别布置热敏电阻。各月不同测点的最大温差见表1，各月不同测点的最大温差平均值为1.03℃，最大温差为1.77℃，可知两试验段的土壤温度相近。

2.3 土壤含水率

土壤含水率是影响渠道冻胀破坏的另一主要因素。为了更科学地对比两试验段的冻胀情况，需要控制两者的土壤含水率相近，故需两试验段临近，以保证受环境和渠道过水量的影响相似。为此，用TDR时域反射仪对相距10 m的两试验段的东堤、西堤、渠底处土壤含水量进行监测[10]。在试验段纵向1.5 m、距离渠顶0.3 m的东、西渠堤处、渠底处选平坦地块，对其削平处理后各埋设1根水分测定管，水分测定管长1.5m，外露0.2 m。监测时将TDR探头垂直放入水分测定管内至测点下深度分别为0 - 20、20 - 40、40 - 60、60- 80、80～100 cm处，同时用TDR反射计测得土壤含水率。该区域的最大冻深为37.8 cm.TDR时域反射仪无法准确测量冻土含水率，故选取深度为40 - 60cm（最大冻深以下）的土壤含水率进行对比。该深度的土壤水分向冻结区迁移，影响渠基土体的冻胀变形，对渠道衬砌板产生冻胀作用。

两试验段在冻融期内土壤含水率最大差值为1.80%，土壤含水率相差较小，可知两试验段土壤含水率相似，见表2。

2.4 冻胀量测量

冻胀量的测定方法为定位线法，测点布置方式见图5 [12]。在渠道南北两端的纵向板缝两侧10 mm处布置2对固定锚杆，两坡圆弧段距离渠顶20 cm处各布置1对锚杆。锚杆长5m，外露1 m。在纵向1对锚杆距衬砌体表面10 cm处系上锦纶线，并且保持锦纶线与纵断面平行。观测中测量錦纶线到衬砌板面的距离变化量，即冻胀量。对渠道横断面共12个测点的冻胀量进行监测。

2.5 法向冻胀力测量

法向冻胀力用土压力盒测量[11]。如图6所示，在试验段南、北两端各设置5处测点，其中在试验段两坡弧线段坡脚处各设1个测点，两坡距渠顶20 cm处各设1个测点，渠底处设1个测点。另外，在试验段中点东、西两坡弧线段坡脚处各设1个测点。土压力盒在衬砌板的背面平行于衬砌板安装，以土压力盒受到的冻胀土压力读数表征衬砌板的法向冻胀力。

3 数据处理及分析

往年观测发现，12月和1月渠道混凝土衬砌板变形及其下土体以冻胀变形为主.2月和3月以融沉变形为主。因此，在数据处理过程中，冻胀量和法向冻胀力均采用月平均值。这样不仅反映了监测期内各月变形特点，而且还使数据更简练清晰。

3.1 冻胀量数据的处理及分析

试验段横向有12个冻胀量测点，根据图1所示，每个横向测点在试验段渠道纵向相同位置有18个纵向测点，各测点锦纶线到衬砌板面的距离取这18个测点距离的平均值。月平均冻胀量计算公式为

多拼式U形板缝结构混凝土衬砌渠道衬砌板平均冻胀量见表3（正值代表冻胀，负值代表融沉，下同）。多拼式U形无板缝结构混凝土衬砌渠道衬砌板平均冻胀量见表4。

从表3和表4中看出，板缝结构试验段的冻胀量均大于无板缝结构的。

最终冻胀位移代表衬砌板在整个冻融循环期间总的位移量。从表5中的最终冻胀位移量看，除测点6、测点7、测点8外，板缝结构试验段最终位移量大于无板缝结构的。

无板缝结构试验段测点6、测点7、测点8的最终冻胀位移大于板缝结构的，其原因推断如下：这3个测点位于U形渠道的渠底，在结构中处于承受较大压力的位置，无缝结构的混凝土板已连接为一个整体结构，受冻胀力作用会产生较大的冻胀量：而有缝结构具有非整体性，板间的接缝部分释放了冻胀力，而以接缝开裂的方式取代一部分冻胀量，因此平均冻胀量较小。尽管如此，无缝结构在U形横断面上的冻胀变形比有缝结构的分布更加均匀，能适当减少渠道衬砌各部位间冻胀变形的差异，最终起到控制结构冻胀变形的作用。 综上所述，U形衬砌渠道板缝结构相较无板缝结构更易于产生冻胀破坏。由此可知，板缝是U形混凝土衬砌渠道冻胀情况下的薄弱点，U形混凝土衬砌渠道衬砌体板缝数量越少，其整体性越好，衬砌板的冻胀量越小，抗冻胀性能越优。

由表6和表7可知，66.7%的U形混凝土衬砌渠道无板缝结构的法向冻胀力小于板缝结构的。此现象虽然可以验证无板缝结构抗冻胀性更优，但还有33.3%的数据与其他数据的结论不同，因此还需对法向冻胀力的分布情况进一步分析验证。

从每月法向冻胀力分布来看，比较各月U形混凝土衬砌渠道板缝结构和无板缝结构的法向冻胀力曲线（见图7至图10），发现无板缝结构的曲线比板缝结构的曲线更平稳，说明其法向冻胀力分布更加均匀。

至于加固处理后的无板缝结构渠道有33.3%的冻胀力监测数据大于有板缝结构的，可能由以下原因造成：一是土压力盒为人工填埋，导致埋坑中的土壤孔隙率不同，土压力盒读数会出现一定偏差：二是由表6和表7可知，此现象多发在两坡弧线段坡脚的测点2和测点4，因U形混凝土衬砌渠道在此处发生较大的冻胀位移[6]，而多拼式U形混凝土衬砌渠道试验段在板与板的接缝处强度较低，容易产生较多裂缝甚至开裂，裂缝处变形较大，土对板的约束减弱，故有板缝的多拼衬砌板土压力盒读数会小一些。当然，对这一现象的解释还应进一步通过试验研究证实。

综上所述.U形混凝土衬砌渠道无板缝结构衬砌体的冻胀力大小和冻胀力分布更优，其抗冻胀的性能更好。

4 结论

针对宁夏引黄灌区输配水U形防渗渠道多为混凝土板拼装接缝而成、板缝附近衬砌板冻胀破坏较严重的现状，通过设置有板缝的传统多拼混凝土衬砌结构和采取工程措施消除板缝后的无板缝混凝土衬砌结构的原型监测试验，定量化研究了板缝对U形渠道混凝土衬砌结构抗冻胀性能的影响，并对监测数据进行了整理和分析。

（1）同一U形混凝土衬砌渠道相近渠段的土壤温度和土壤含水量相近，监测试验中获取的两种混凝土砌护结构的数据具有一定的可比性。

（2）多拼式U形混凝土衬砌渠道板缝结构的冻胀量均大于无板缝结构的，且在12个测点中9个无板缝结构测点最终位移量小于板缝结构的。

（3）多拼式U形混凝土衬砌渠道板缝结构66. 7%的法向冻胀力监测数据大于无板缝结构的，且无板缝结构法向冻胀力的分布更均匀。

（4）多拼式U形混凝土衬砌渠道无板缝结构相较于传统多拼式U形混凝土衬砌渠道的板缝结构，其抗冻胀性能更优。板缝是U形混凝土衬砌渠道的薄弱环节，是影响渠道抗冻胀性能的关键因素，且其会影响衬砌体的整体性。建议在渠道衬砌体结构设计时，在保证渠道施工方便的前提下，尽量减少混凝土衬砌板缝，且保证预留板缝的施工质量。为此，课题组正在研究有关板缝的榫接构造与施工工艺。

参考文献：

[1]

HAWLADER B C，MORCAN V，CLARK J I.Modelling ofPipeline Under Differential Frost Heave Considering Post-Peak Reduction of Uplift Resistance in Frozen Soil[J].Ca-nadian Ceotechnical Joumal， 2006（ 43）： 282-293.

[2] YE Min， YANFANC Hufan～u， MAO Xuesong. Freeze DepthPredicting of Permafrost Subgrade Based on Moisture and Ther-mal Coupling Model[J].KSCE Joumal of Civil Engineering，2015， 19（6）： 1707-1715.

[3]银俊梅，弧底梯形的冻胀试验研究[J].中国农村水利水电，2011（ 12）：135-138.

[4]王正中，李甲林，陈涛，等，弧底梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型研究[J].农业工程学报，2008，24（1）：18-23.

[5]李翠玲，王红雨，两拼式U形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏力学模型[J].中国农村水利水电，2004（5）：86-93.

[6]唐少容，王红雨，三板拼接式小型U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型[J].农业工程学报，2016，32（11）：159-166.

[7]李翠玲，唐少容，王红雨，整体式U形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏力学模型[J].水利水电技术，2015，46（4）：148-155.

[8]李爽，王正中，高兰兰，等，考虑混凝土衬砌板与冻土接触非线性的渠道冻胀数值模拟[J].水利学报，2014，45（4）：497-503.

[9] 陈振坤，施明恒，太阳辐照条件下土壤内温湿度场的动态模拟[J].太阳能学报，1998，19（1）：13-19.

[10] 李子忠，郑茹梅，龚元石，等，时域反射仪对水分非均匀分布土壤含水率的测定[J].农业工程学报，2010，26（ 11）：19-23.

[11]李文阳，潘春娟，刘洪佳，土压力盒在混凝土结构模型试验中的应用[J].山西建筑，2007，32（ 11）：83-84.

[12] 陈继，程国栋，张喜发，分层冻胀量观测方法研究[J].冰川冻土，2004，8（4）：466-473.

【责任编辑许立新】