坡度对季冻区梯形渠道抗冻胀性能的影响试验研究

周富强

(新疆瑞昶设计院有限公司，乌鲁木齐 830000)

1 概 述

我国是一个农业文明古国，农田水利历经几千年之久，留下了许多水利技术和至今仍发挥作用的水利工程设施。但是，受多种因素的影响，我国的农田水利基础设施建设仍旧滞后于社会经济发展的要求，也成为制约我国农业可持续发展的重要因素。在面临水资源极度短缺和水旱灾害频繁发生的大环境下，提高水资源的利用效率，充分发挥有限水资源的作用就显得尤为重要[1]。其中，渠道防渗是提高我国灌区用水效率的重要手段，从当前的工程实践来看，采取防渗措施可减少七成以上的渠道输水渗漏损失[2]。同时，提高渠道的运行年限，对降低农田水利工程成本，激发企业和农户投身农田水利建设的积极性具有重要作用。在我国北方寒区，冻胀破坏是影响渠道渗漏和使用年限的重要因素，是制约灌区输水工程综合效益发挥的关键性技术难题，已经受到水利工程界的广泛关注[3]。目前，渠道防渗衬砌抗冻胀的理论研究和工程实践领域已经取得十分丰硕的成果，主要表现为使用不同形式的渠道衬砌防冻胀结构形式，采取保温板等特殊的衬砌结构保温措施，建立渠道衬砌结构防冻胀数学模型等。总体来看，该领域的研究主要集中于衬砌结构优化，而渠道几何特征对冻胀效果影响的研究不多[4]。渠道基土和外界环境之间的水热交换，也是渠道冻胀情况的主要影响因素，而梯形渠道的坡度必然会对基土和外界环境之间的水热交换产生明显影响。基于此，本次研究以某灌区的3#支渠为工程原型，利用现场试验的方法展开坡度对季冻区梯形渠道抗冻胀性能的影响研究，以期为季冻区梯形输水渠道设计建设提供技术性建议。

2 材料与方法

2.1 工程背景

本次研究的原型工程为某灌区3#支渠。该支渠主要负责下游高标准农田建设的供水任务，试验田的主要农作物为玉米，每年渠道输水3～5次，没有冬季输水的任务要求。试验段渠道的原始设计为梯形断面，底宽为2.4 m，渠深1.2 m，渠坡坡度为0.5。试验区属于温带干旱地区，极端最高气温为36.9℃，极端最低气温为-24.5℃，昼夜温差一般在18°左右，年均降水量月206 mm，多集中于6-9月份。冬季土壤的冻结深度约0.7 m，最大冻结深度为1.04 m，冻结时间为110 d左右。试验区的土壤类型为普通灌淤土，表层分布有少量的盐化灌淤土，经实验室测定，试验区土壤容重约1.5 g/cm3，孔隙度约51.23%。

2.2 试验方案

此次现场试验的主要目的是探索渠道坡度对冻胀量的影响，并获取其变化规律，以便对相关工程的设计和施工提供必要的技术支持。结合工程实际和当前梯形断面渠道建设的相关施工规范和要求，在保持研究渠段渠底宽2.4 m、渠深1.2 m两个参数不变的情况下，设计0.3、0.5、0.7、0.9、1.1等5种不同的渠道坡度进行现场试验，每种坡度渠道试验段的长度为5 m，试验段总长度为25 m。通过对不同试验方案下的渠道各个部位的冻胀量进行监测，并对监测数据进行整理和对比分析，以获取最佳坡度[5]。

2.3 试验方法

根据试验现场的实际情况，选择3#支渠桩号Z3+150～Z3+175段为本次试验的试验渠段。该试验渠段大致为东西走向，渠道坡降为1/2 000。经现场监测，渠道冻结之前，渠底0～60 cm范围内的土壤含水率最大，阳坡的土壤含水率最小。在60 cm以下的冻结范围内，渠道阴坡的含水率最大，渠底的含水率最小。

鉴于冻胀量是渠道冻胀破坏最直接的表征，因此试验研究中主要对试验段渠道阴坡、阳坡和渠底的冻胀量进行监测[6]。试验过程中的冻胀量采用钢丝法进行监测，其具体过程如下：先钻孔埋设钢筋桩的保护管与钢筋桩，保证保护管能够与渠道的基土同步变形，而钢筋桩不会随着冻土变形；然后在钢筋桩距离监测表面一定高度进行刻槽，并拉设钢丝；然后在监测表面设定监测点，进行冻胀量的监测，并记录好数据[7]。根据相关研究成果，渠道坡面冻胀量最大，破坏最严重的部位位于距离渠底1/3渠深处，因此研究中以该部位的监测数据衡量渠道坡面的冻胀变化特征；渠底冻胀量最大的部位位于渠底中央，因此将渠底冻胀量的监测点设定在渠底中部[8]。试验段的衬砌施工完工于2020年11月25日，并于当日开展冻胀量监测，历时36 d，至2021年12月10日结束。试验期间，每3 d测量一次冻胀量。

3 计算结果与分析

3.1 阳 坡

利用上节提出的方法，对不同试验方案下渠道阳坡监测点的冻胀量进行监测，并根据监测数据，获得不同方案下阳坡冻胀量随时间的变化曲线，结果见图1。由图1可知，不同方案下渠道阳坡的冻胀量变化特征基本一致，也就是随着时间的推移冻胀量迅速增大之后逐渐趋于稳定。由此可见，在冻胀发生的前20 d冻胀对衬砌的作用比较明显，是强化工程防护的关键时期。从不同渠道坡度的试验结果来看，在相同试验时间不同坡度渠道的冻胀量存在比较明显的差异，且冻胀量随着坡度的减小呈现出先减小后增大的变化特征，当坡度为0.7时的冻胀量最小，但是坡度0.5和坡度0.7的试验结果极为接近。因此，从阳坡的冻胀量试验结果来看，坡度应该以0.5～0.7为宜。考虑到坡度越小，渠道的占地面积越小，且工程的成本也越低，因此在实际工程中推荐采用0.5的渠道坡度。

图1 阳坡冻胀量变化曲线

3.2 阴 坡

利用上节提出的方法，对不同试验方案下渠道阴坡监测点的冻胀量进行监测，并根据监测数据，获得不同方案下阴坡冻胀量随时间的变化曲线，结果见图2。由图2可知，在相同的条件下渠道阴坡的冻胀量大于阳坡的冻胀量。原因是阳坡可以接受更多的太阳辐射能，因此基土温度整体偏高，因此冻胀量也相对较小。从冻胀量的变化规律来看，阴坡和阳坡基本相同，也就是随着冻胀时间的延长，冻胀量迅速增加最终趋于平稳。从不同坡度试验方案的结果对比来看，当坡度为0.7时的冻胀量最小，但是坡度0.5和坡度0.7的计算结果比较接近。

图2 阴坡冻胀量变化曲线

3.3 渠 底

利用上节提出的方法，对不同试验方案下渠道渠底监测点的冻胀量进行监测，根据监测数据，绘制出不同方案下渠底冻胀量随时间的变化曲线，结果见图3。由图3可知，不同方案渠道渠底的冻胀量也随着冻胀时间的推移而迅速增加并逐渐趋于平稳。与阳坡和阴坡不同的是，不同试验方案下渠道底部的冻胀量比较接近，说明渠道坡度对渠底的冻胀量影响并不明显。

图3 渠底冻胀量变化曲线

4 结 论

本次研究以具体工程为依托，利用现场试验的方法研究了坡度对梯形渠道冻胀量的影响。试验结果显示，梯形渠道的坡度对渠底冻胀量的影响并不明显，对渠道阳坡和阴坡的冻胀量存在显著影响。随着坡度的减小，阳坡和阴坡的冻胀量均呈现出先增大后减小的变化特点，且渠道坡度为0.7时的冻胀量最小。鉴于坡度为0.5时的冻胀量与坡度为0.7时比较接近，而渠道的坡度越小，工程的经济性越强，因此在具体工程中建议采用0.5的坡度。当然，渠道工程设计是一项复杂的问题，受到多种因素的影响，需要进行综合分析，最终确定最佳的设计方案。