灌区U形混凝土衬砌渠道冻胀分析及结构优化

(1.涝坡水利服务中心，山东 莒南 276600;2.日照市水利局，山东 日照 276800)

我国水资源丰富，但人均占有量少，水资源空间分布不均，为了农业经济的更好发展，需要投入大量的人力物力进行农田水利建设，近些年来，国家加快推进大中型灌区续建配套和灌排设施的更新改造，加强灌区渠系的输水效率和田间工程配套成为当前各个地区的灌溉农业发展的关键环节[1-3]。

渠道防渗衬砌是减少灌区输水损失、提高供水效率、防冲固坡、有效控制地下水位的重要农田水利工程措施，在发展节水灌溉农业、促进农业可持续发展中发挥着不可替代的重要作用。然而，由于北方地区常年受干湿和冻融交替循环的影响，渠道衬砌的冻胀破坏普遍存在，灌区渠道渗漏损失一直十分严重，制约着灌区农田水利配套设施建设以及灌溉农业的可持续发展。U形渠道是当前农田水利设施中较为常见的一种渠道结构型式，按照目前常用的组合形式，又可分为整体式U形混凝土衬砌渠道、两拼式U形混凝土衬砌渠道以及多拼式U形混凝土衬砌渠道[4-7]。为了对不同U形混凝土衬砌渠道冻胀变形规律有直观了解，首先设计了整体式、两拼式和三拼式U形混凝土衬砌渠道的冻胀试验，并以试验结果为导向，对U形混凝土衬砌渠道进行了结构优化设计，以期能为临沂市其他渠道工程建设提供借鉴。

1 工程背景

陡山水库灌区渠道总长36.46km(一干渠长23.96km、二干渠长12.5km)。一干渠23.96km衬砌渠道破损较为明显，有渠堤坍垮，经常有渗漏现象的渠道长度6.66km，目前可正常运行的渠道长度不足17.3km，渠道完好率为72%。二干渠12.5km衬砌渠道破损较为明显，有渠堤坍垮，经常有渗漏现象的渠道长度6.026km，目前可正常运行的渠道长度不足6.474km，渠道完好率为51.79%。故决定对灌区渠道进行改造施工。该地区常用的渠道断面型式为U形，由于分时分段招标，在设计和施工过程中，U形渠道结构又分为整体式、两拼式或者多拼式。渠道断面结构见图1。

图1 U形渠道断面示意图(单位：cm)

2 冻胀变形监测结果

试验监测时间为2019年11月—2020年3月，共历时105天，选取每种U形渠道结构典型断面进行原位监测，左右对称分别布置5个监测点，监测该段时间内渠道的冻胀变形量(见图2)。

图2 监测点布置示意图

2.1 冻胀变形分析

从不同类型U形混凝土衬砌渠道的冻胀变形监测结果中(见图3)可看到：在三种U形渠道中，整体式的横向和纵向平均冻胀量较小，分别为0.348mm和0.556mm，两拼式的横向和纵向平均冻胀量较大，分别为0.55mm和0.825mm，多拼式的横向和纵向平均冻胀量最大，分别为0.787mm和0.969mm，两拼式和多拼式U形渠道的冻胀破坏变形要比整体式渠道冻胀破坏变形严重；同时，由冻胀位移变化量可知：整体式U形渠道的冻胀变形比较均匀，没有发生较大的冻胀位移差，而两拼式和多拼式U形渠道的不均匀变形比较严重，冻胀位移差较大，这就很可能导致两种型式的U形渠道发生不均匀冻胀破坏，且发生冻胀破坏的位置大多数位于板缝或者板缝两侧。

2.2 结构优化建议

由现场试验监测结果可知：对于装配式U形混凝土衬砌渠道，板缝越多，越容易发生不均匀的冻胀变形，保持装配式U形结构良好的完整性是减少渠道发生冻胀破坏的主要措施。因此，在对装配式U形混凝土衬砌渠道进行结构优化时，应重点考虑以下三方面：ⓐ应适当提高U形渠道板缝处混凝土的抗弯拉强度，提升整体的抗冻胀性能；ⓑ应通过结构优化，增大衬砌板跨度，适当减少板缝数量，增强衬砌渠道的整体性；ⓒ在提升渠道冻胀性能的基础上，保证衬砌渠道的防渗性和经济实用性。

图3 冻胀变形试验监测数据

3 结构优化设计

结构优化的主要目的是通过增大衬砌板跨度，尽量减少板缝数量，且采用无缝衬砌的概念，从而增强渠道结构的整体性，提高其综合抗冻胀破坏性能。但是，增大U形衬砌渠道的跨度就会增大装配式衬砌板的尺寸规模，导致衬砌板体积变大，由于混凝土衬砌板是预制板，且底板又是弧形板，这就给U形混凝土衬砌板的运输、存储、安装带来极大的不便，反而会增加施工困难，对工程造价不利。因此，为了兼顾抗冻胀性能和施工方便，在设计过程中，首先对大跨度的U形衬砌板进行分块处理(在横向上将其划分为若干部分)，然后利用柔性榫接方式将各个分块连接成一个整体，从而保证渠道的完整性[8-12]。

榫接相对于传统连接形式具有如下优势：ⓐ榫接结构将榫槽设置成U形突出结构，突出结构既可以当作混凝土衬砌板的纵向肋梁，又可以增强混凝土衬砌板的纵向抗弯能力；ⓑ榫接结构一般设置在混凝土衬砌板的最大弯矩截面处，大大增加了最大弯矩截面处的自由度，这样既可以降低混凝土衬砌板的内部弯矩，改善内力环境，又可以实现变形的自我调节功能，使得构造在融沉变形过程中可抵消冻胀变形[13-16]。

榫接结构由榫槽和榫头两部分组成，为了减小应力集中，保证良好的反拱和承载能力，榫槽底部设计为U形，榫槽尺寸应大于榫头尺寸1～2cm，为了确保榫头和榫槽间的缝隙不渗漏，还需要在两者之间设置防水层和黏结措施(水泥砂浆)，防水层材料选取氯丁橡胶密封胶，防水层和水泥砂浆的厚度设计为1cm；由于渠道混凝土强度等级设计为C20，脆性较大，故而榫头尺寸不宜过高或者过窄，具体尺寸应根据不同尺寸的U形渠道断面进行选取，渠道C20混凝土厚度设计为4cm。榫接结构见图4。

图4 榫接结构示意图

由于传统U形混凝土衬砌板的跨度一般为0.5m，板缝的宽度一般为0.1m，在试验过程中取纵向6块衬砌板进行监测，因此，无板缝试验段的衬砌板跨度可取3.2～3.6m，也可将此作为本文设计的装配式U形混凝土衬砌渠道的衬砌板跨度，衬砌板接缝采用PIN新型材料。为了保证渠道两侧受力的均匀性，将渠道设计为装配三拼式，三拼式由两个直线段和一个圆弧段底板组成，榫接结构位于距离渠底1/3渠深处。优化设计过后的渠道断面见图5。

4 使用效果评估

4.1 冻胀性能

选择试验段同样断面位置的10个监测点作为研究对象，对装配式U形三拼榫接混凝土渠道的横向和纵向冻胀变形进行监测，结果见图6。从图6中可以看到：采用装配式U形三拼榫接混凝土渠道结构后，横向和纵向冻胀变形均比较均匀，发生不均匀冻胀变形破坏的概率大大降低，横向平均冻胀量为0.181mm，纵向平均冻胀量为0.521mm，较原有渠道冻胀变形量有较大幅度降低，表明本文设计的装配式三拼U形榫接混凝土渠道具有更好的抗冻胀性能。

4.2 防渗性能

由于本文设计的装配式U形三拼榫接混凝土渠道能够增大混凝土衬砌板的自由度，改善内力分布，从而可减少冻胀开裂和破坏的发生，渗漏裂缝较原有渠道结构有较大幅度降低，同时榫槽和榫头缝隙采用了防水层，能够最大程度上减小缝隙造成的水头损失，从而保证改进后的渠道具有良好的抗渗性能。

4.3 实用及经济性

以3.5m作为比较长度，对本文设计的装配式U形三拼榫接混凝土衬砌渠道与传统整体式U形混凝土衬砌渠道的实用性和经济性作对比分析，结果见表1。从表1中可以看到：相比传统整体式U形渠道，装配式U形三拼榫接渠道使用的混凝土方量更少，混凝土减少用量约15%，按340元/m3的混凝土成本计，装配式U形三拼榫接渠道每3.5m长即可节省工程投资30元。装配式U形三拼榫接渠道还拥有良好的抗冻胀性能和防渗性能，降低了后期的维护成本，简化了安装步骤，在施工过程中仅需要小型机械吊装安装，极大地加快了施工速度，运输过程中可将其拆分为3部分，方便运输的同时，还不易发生断裂，减少运输过程中的经济损失，因而值得在实际工程中予以应用。

表1 两种U形渠道实用性和经济性对比

5 结 论

本文以灌区改造工程为例，对U形混凝土衬砌渠道结构冻胀变形规律进行了监测分析，并提出采用榫接结构连接的装配式U形混凝土衬砌渠道，通过分析认为：该结构型式的U形渠道不仅能够保证渠道衬砌体的整体性，提高渠道的抗冻胀和抗渗能力，还能较传统整体式U形渠道减少混凝土用量约15%，既方便了运输和施工过程，还具有良好的工程经济性。研究成果可为类似灌区渠道工程建设与改造提供新的设计思路和方案。