辽阳灌区渠道防渗防冻胀试验及结果分析

徐成志

(辽阳市水利事务服务中心，辽宁 辽阳 111000)

1 概 述

土工格室是一片一片的高强度HDPE材料聚合物，通过高强度焊接材料通过14个焊接点焊接而成的具有伸缩自如特性的土工环保合成材料。使用时张开并充填混凝土料可以起到阻裂和细化裂缝的作用，明显地改善了混凝土的微观结构，使混凝土中原生的微裂纹减少、裂缝宽度减小，这必然使混凝土硬化体的抗渗性和韧性得到相当程度的提高，使混凝土表面光滑，进而使混凝土的耐久性得到大幅度的提高，对冻融变化和机械损伤等外界因素都具有较高的抵抗能力。目前已被广泛应用于土木工程的各个领域[1]。

格室的深度一般≤20 cm, 其规格可以按照应用场合的不同自行设计。土工格室结构图，见图1。

图1 土工格室结构图

1.1 土工格室材料物理力学性能

土工格室结构可以将大部分垂直力转化为向四周分散的侧向力。土工格室用于渠道边坡衬砌时，使格室与填充混凝土一起构成一种柔性结构层，来改变渠道砌体的受力结构，避免砌体因冻胀引起的结构性改变的现象。

试验用土工格室物理力学性能，见表1。

表1 试验用土工格室物理力学性能

2 开展防冻胀实验研究

2.1 工程概况

试验段所在灌区属于北温带大陆性季风气候，夏季多雨炎热，冬季寒冷。多年平均气温为8.6℃，其中7月最高气温为24.7℃，1月最低气温为-10.9℃；极端最高气温37℃，极端最低气温-35.6℃；多年平均降雨量为720.7mm，降雨量年内分配不均匀，主要集中在5-9月，约占全年降水量的80%；多年平均蒸发量1641.3mm；多年平均风速3.0m/s，主导风向SSE，大风日数10d；无霜期平均为165d，平均结冻期约160d，多年平均最大冻土深度126cm。辽阳灌区地层岩性简单，上覆地层岩性大部分为黏土，局部有粉质黏土，黏性土一般厚20-30m。其下30-100m为砂卵石层，100-150m以下为基岩层[2-3]。

2.2 试验段土工格室设计方案

研究根据试验段特点，试验段在保持原土渠水面线高程和渠道纵比降不变的原则下,选取灌区三支2斗渠道的三种典型断面结构形式进行对比研究。这三种结构形式分别为：①设计断面1：原状土夯实+复合土工膜(两布一膜)+土工格室混凝土护坡(35cm×35cm×6cm)+7cm现浇钢筋混凝土底板5@150×150；②设计断面2：原状土夯实+复合土工膜(两布一膜)+土工格室混凝土护坡(35cm×35cm×8cm)+7cm现浇钢筋混凝土底板5@150×150；③设计断面3：对比结构，原状土夯实+7cm现浇钢筋混凝土5@150×150三种渠道防渗结构结构方式。斗渠防渗防冻胀试验结构横断面，见图2 。

2.2.1 观测项目设计

渠道的冻胀过程通常从渠基土温度变化、渠基土冻深变化和渠基土冻胀量变化3个方面来研究其规律性。因此,观测项目包括地温、冻深、衬砌位移等观测项目。地温用TW-1型土壤梯温仪观测,观测其下40cm、60cm、80cm深度内的温度;冻深采用冻土器观测地表下120cm深度内的冻结深度;砌体位移采用固定标点法量测其位移量。根据需要采集数据的特点，数据设定每间隔10d采集1次，在冬季户外气温变化明显的时间段加密采集数据次数，设定每5d采集1次[4-5]。

设计断面1

设计断面2

设计断面3

2.2.1.1 衬砌结构层下部土壤不同埋深地温

试验主要是采集图2所设计三种衬砌结构下部土壤位于40cm，80cm处土壤温度，直读式地温观测仪埋设图，见图3。

2.2.1.2 衬砌结构层下部土壤冻结深度

与衬砌结构下部土壤不同深度地温观测仪器埋设位置相同，在衬砌渠坡和渠底分别设置1个观测孔，在观测孔中安装1套自制冻土测量装置，装置长度为150cm，冻土器长度为180cm，冻结深度观测尺埋设布置图，见图4。读取数据时提出内部乳胶管，轻捏乳胶管可鉴别出管内冰和水的分界线位置，用测尺量测冰柱长度，即为冻结深度[6]。

图4 冻结深度观测尺埋设布置图

2.2.1.3 衬砌结构层下部土壤冻胀量

三支2斗进水闸距离选取的试验段30M远，因此选取进水闸闸框顶部闸台为基准点，采用相对测量法。分别在本次选取的3个设计断面试验段上选定1个观测断面，根据渠道断面实际宽度设置不等数量的观测点，冻胀量观测点布置图，见图5。每次观测时使用水准仪量测每个观测点与基准点(闸台顶部)之间的相对高差的变化，在衬砌结构层下部土壤开始冻结之前观测的数据做为初始值，在后续每次观测到的数据与基准点之间的高差与初始值相比减小的数值，即为衬砌结构层下部土壤的冻胀量[7]。

(a)

(b)

(c)

3 原形观测成果及分析

观测结果经过历时128d(20151201-20160406)的冬季观测,得到了各观测点实测冻胀曲线。

3.1 渠基土温度变化

土工格室结构40cm深地温变化过程线，见图6；土工格室结构80cm深地温变化过程线，见图7。

(a)南坡 各结构南坡(阴坡)40cm深地温曲线图

(b)北坡 各结构南坡(阴坡)40cm深地温曲线图

(a)各结构南坡(阴坡)80cm深地温曲线图

(b)各结构北坡40cm深地温曲线图

试验段土渠南坡40cm深地温最低值-4.7℃，北坡-0.9℃；南坡80cm深地温最低值-1.2℃，北坡0.4℃。南坡40cm深地温负温值持续时间约73d，北坡约为35d；南坡80cm深地温负温值持续时间约50d，北坡未出现负温[8]。

地温曲线反应出6cm土工格室结构南坡地温略<8cm土工格室结构和对比结构，北坡三种结构地温值基本相同。8cm土工格室结构和对比结构南坡40cm深地温最低值约为-5℃，>6cm土工格室结构约1℃；80cm深地温最低值约为-1.5℃，>6cm土工格室结构约0.8℃。3种结构北坡40cm深、80cm深地温最低值分别为-1℃，0.2℃。

3.2 渠基土冻深变化

斗渠基土冻深变化过程线，见图8。

(a)南坡

(b)北坡

同渠基土地温观测结果，土工格室结构边坡冻深变化值与对比结构基本相同。

土工格室结构冻深变化过程线，见图9。

(a)南坡

(b)北坡

各结构冻深值基本相同，8cm土工格室结构和土渠在2月16日开始出现双向回融，较6cm土工格室结构和对比结构早约25d。到4月6日为止，6cm土工格室结构融化深度最小，其它结构基本融通。土工格室结构最大冻深值，见表3。

3.3 渠基土冻胀量变化

试验段各结构冻胀量变化情况，见图10。

表3 土工格室结构最大冻深值 cm

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(a)-(c)南坡观测点1，2，3；(d)-(f)北坡观测点5，6，7。

试验段各土工格室结构最大冻胀量见表4。最大冻胀量观测时间为3月14日，此后各结构冻胀量开始下降，渠基土开始回融。南坡8cm土工格室结构冻胀量最小，北坡土渠冻胀量最小，其次为8cm土工格室结构，6cm土工格室结构与对比结构相比，抗冻胀效果并不明显。

表4 试验段土工格室结构最大冻胀量

3.4 综合分析

通过对观测数据的进一步分析，可以得出：设计断面二采用的8cm厚土工格室护坡比对比设计方案三原状土夯实+7cm现浇钢筋混凝土冻胀量削减了9.3%，抗冻胀能力比较明显。土工格室混凝土结构以土工格室与填充混凝土一起构成一种柔性结构层共同承受外界作用力，抗冻胀机理体现在以下4各方面[9]：

1)联动性的特点。受外界作用力时，一片片土工格室结构可以将大部分垂直力转化为向四周分散的侧向力，填充的混凝土块不再是独立受力，而是通过周边接触的一片片土工格室，将绝大部分承受的垂直力向土工格室传递，最终使土工格室混凝土局部冻胀力分散成侧向力，局部承受的作用力转化为柔性结构层整体发生改变，避免了混凝土块因局部承受冻胀而产生的脱坡、局部错动等现象。

2)对外力作用的分散传递的特点。柔性结构层受力变形后，混凝土块间相互影响对变形向每块混凝土块周边进行分解，使混凝土块的整体强度和刚度都得到增大，缩小了混凝土块因承受的外力引起的局部改变，进而增强了柔性结构层的抗冻胀变形现象的发生。

3)连锁性共同受力的特点。经检测，本次研究使用的土工格室抗拉强度为22MPa。当混凝土块受外力变形时，土工格室将各混凝土块牢固的连锁在一起，体现出抗击外来作用力强的特点。

4)低温环境性能不受影响的特点。土工格室为高强度HDPE材料聚合物，在-40℃低温下仍具有良好的性能，耐低温性能优异。

4 结 论

通过对试验段主要冻胀影响因素和土工格室混凝土结构特点的分析，进行了防渗防冻胀试验方案的设计，并对观测采集到的各组数据进行了分析。数据结果显示，土工格室作为一种新型防冻胀材料与填充混凝土一起构成的这种柔性结构层能有效避免冻胀对渠道造成的破坏。目前土工格室在渠道衬砌的应用中还处在摸索阶段，且渠道防渗防冻胀标准比较低，需要水利部门的科研人员不断总结经验，进一步挖掘、开发出土工格室的优异性能，为这一新型材料的广泛应用提供条件。