寒区长距离输水渠道膜袋混凝土衬砌结构优化试验研究

易斌华，邹 芳

(1.江西富邦建设有限公司，江西 九江 332400；2.江西长华建设工程有限公司，江西 南昌 330100)

在我国北方寒区，对灌溉渠道采取一定的防冻胀工程措施，对降低冻胀破坏，提高渠道的使用年限具有重要作用[1]。近年来，我国在寒区渠道保温防冻胀材料和技术研究方面有了突破性进展，开发了一系列新工艺和新技术，并在渠道防冻胀方面取得了显著的效果[2]。膜袋混凝土是利用高压泵将流动性混凝土灌入膜袋，混凝土中多余的水分通过膜袋表面的孔隙渗出并凝固成稳定的结构[3]。由于膜袋混凝土具有便于操作、省工省时、施工速度快的优势，近年来在北方寒区渠道衬砌结构设计施工中得到广泛应用[4]。相关的理论研究和工程实践显示，膜袋混凝土相对于普通混凝土在抗冻胀变形能力方面有显著增强[5]，但是在灌区取代衬砌建设方面尚没有理论和实践支持。因此，本文以某灌区渠道为工程背景，利用实验研究的方法，对不同膜袋混凝土衬砌结构形式的抗冻胀能力展开试验研究，为获得具有最佳防冻胀能力的衬砌结构形式提供支持。

1 实验方案

1.1 实验渠段概况

某灌区是一个水资源短缺的大型灌区[5]。灌区现有总长155km的灌溉渠道，其中干渠2条、支渠10条和斗渠20条，有效灌溉面积约2800hm2。灌区属于典型的温带大陆性季风气候，冬季寒冷多雪、夏季炎热多短时强降雨、年平均气温8.7℃，极端最高气温41.2℃，极端最低气温-38.8℃。灌区多年最大冻土深度1.2m，封冻期为11月中下旬至次年4月。研究渠段为灌区的新建试验渠段。

1.2 实验方案与观测项目

根据某灌区的实际情况及相关工程经验，设计了12、15、18cm 三种不同衬砌厚度以及有、无防渗膜2种不同类型的膜袋进行交叉试验[6]，共获得6种不同的试验方案，见表1。其中，每个试验方案的渠段长度为12m，全部试验渠段的总长度为72m。根据试验目的，设计了2个主要观测项目，分别是表面冻胀破坏观测以及冻胀量观测。

表1 试验方案设计

比较严重的冻胀破坏会引起渠道衬砌表面的明显变化[7]。因此，研究中需要对渠道衬砌进行观测，其主要内容是观测是否存在鼓胀、隆起以及破碎等现象。每15d进行一次观测并做好相应的记录。

为了进行冻胀量的实测，试验渠段施工过程中，在观测部位设置高程观测点，并通过观测点在冻胀作用下的高程变化进行冻胀量的推算[8]。每种方案的试验渠段共提前埋设4个高程测量基准点，其位置在两侧渠坡的上部和下部1/3部位。高程测量采用水准仪和四等水准标准测量，测量时间与表面观测时间同步。如果由于施工原因高程点存在比较显著的鼓胀和沉降变形时应该舍弃，以保证结果的精度和研究成果的严谨性，高程布置点如图1所示。

图1 测量高程点布置方案示意图

2 试验观测结果与分析

2.1 衬砌表面观测结果与分析

试验过程中对不同方案下的渠道衬砌进行表面观测，观测始于2017年12月7日，结束于2018年4月13日。在观测期内，渠内存在部分积水且已经结冰，由于水面较低，并不影响观测的进行。结果显示，在观测期内膜袋混凝土衬砌表面没有明显的鼓起、上抬、开裂、错位和架空等现象，衬砌表面基本保持完整，仅方案6的东岸存在一处衬砌隆起现象，其余部位均未发生冻胀破坏。因此，由表面观测结果可知，试验渠段的渠道衬砌在正常使用条件下，不会发生冻胀破坏，渠道的整体性完整[9- 15]。

2.2 冻胀量观测结果与分析

根据冻胀量的计算结果绘制出如图2所示的冻胀量随时间变化的曲线。由图2可知，研究渠段东西两岸的冻胀量并无明显差异，究其原因，主要是试验渠段为南北走向，因此两侧渠坡在接受太阳辐射能方面并没有显著差别。从统计结果来看，各方案下的冻胀量的最大值为6～11cm。其中，方案5的冻胀量最大，为11cm，方案1的冻胀量最小值为5.7cm。渠坡的冻胀量分布主要集中于渠坡的上部1/3部位和下部的1/3部位，且渠坡下部的1/3部位的冻胀量总体较大。从时间序列来看，各方案下的冻胀量随着时间的推移逐渐增大，并于2018年2月中旬到下旬达到最大值，之后冻胀量逐渐减小。这说明，渠道的冻胀量主要受气温因素的影响，与当地的平均气温变化特征基本一致并呈现出一定的滞后性。

图2 冻胀量随时间变化曲线

2.3 防渗膜对冻胀量的影响

混凝土材料属于一种多相符合材料，具有抗压强度大、抗拉强度低、脆性大的特点，因此在混凝土结构研究中主要关注结构裂缝问题。土工膜是以高分子聚合物为原料制成的一种新型防渗材料，可以利用其良好的阻水性能，阻断灌溉渠道的衬砌结构与基土之间的漏水通道。由于施作土工膜会显著改变渠坡内部的渗流与水分迁移特点，也将对衬砌冻胀特征造成一定影响。因此，以研究中的观测数据为基础，整理出相同膜袋混凝土衬砌厚度条件下的渠道冻胀量，结果如图3所示。由图3可知，防渗膜对渠道冻胀量存在比较显著的影响，在膜袋混凝土衬砌厚度不变的情况下，施作防渗膜对减小冻胀量存在显著作用。从具体数值来看，膜袋混凝土衬砌厚度为12、15、18cm条件下，施作防渗膜时，冻胀量分别减小48.07%、48.65%和18.08%。从减小幅度上看，当膜袋混凝土衬砌厚度较小时，施作防渗膜对减小冻胀量的作用十分明显，当膜袋混凝土衬砌厚度较大时，施作防渗膜对减小冻胀量的作用不太明显。因此，在膜袋混凝土衬砌厚度较小时，推荐施作防渗膜。

2.4 衬砌厚度影响的结果分析

渠道冻胀的主要因素是渠道基土内所含水分冻结产生的冻胀力作用。由于渠道膜袋混凝土衬砌板厚度的增加会使衬砌结构的重量明显加大，这必然会对基土冻胀力产生一定的抵消作用，从而影响到冻胀量。因此，基于冻胀量观测数据绘制出如图4所示的不同厚度衬砌结构下的冻胀量对比结果。由图4可知，膜袋混凝土衬砌板的厚度增加可以在一定程度上减小冻胀量，但是效果并不理想。在有无防渗膜条件下，衬砌板厚度为12cm时的冻胀量最大，但是厚度15、18cm衬砌板条件下的冻胀量减小幅度并不大，特别是厚度超过15cm以后，衬砌板厚度对冻胀量的影响极为有限。因此，在灌区防渗施工中，推荐采用厚度为15cm的膜袋混凝土衬砌板。

图3 不同位置冻胀量对比分析

图4 不同厚度冻胀量对比分析

3 结语

膜袋混凝土不仅具有良好的抗拉性能，而且比普通混凝土衬砌板在一定程度上具有更好的防渗作用，目前膜袋混凝土技术被广泛应用到渠道衬砌中。本文采用试验的方法对不同膜袋混凝土厚度和防渗膜对灌溉渠道衬砌冻胀的影响进行研究，根据研究结果获得最佳膜袋混凝土衬砌设计方案，可以为今后的渠道衬砌工程提供参考依据。当然，由于观测试验的条件限制，仅对冻胀量的大小进行测定，而冻胀力大小、渠基下冻深等尚未有准确的数据提供，在今后的研究中需要更多的数据支持，以求获得更为精准的研究成果。