新疆渠道衬砌工程抗冻胀模式的选择及实施探讨

2015-12-15孟磊

地下水 2015年3期

孟磊

(新疆维吾尔自治区吐鲁番市水利局，新疆吐鲁番838000)

从新疆地区的地理特点来看，可以发现新疆靠近亚洲内陆，远离海洋，是典型的温带大陆性气候。气温温差较大，全年的日照时间十分充足，降水量少，年平均降水量只有150毫米左右。在新疆地区，受到冻土严重危害的就是高山地区，其就是因为新疆地区复杂的地质构造以及残酷的气候条件造成。

1 渠道衬砌工程冻胀的主要影响因素

总体来说，影响渠道冻胀的原因是土壤本身的因素以及冻结时各种外来因素[1]。首先从土的分散性而言，其中土颗粒尺寸是土冻结时水分迁移与冻胀过程中最有价值的指标。当土的粒径变细，土粒与水的相互作用增强，土壤渗透性变小，其中至粉粒含量较高时冻胀性最强，如果是黏粒为主时，冻胀性降低。当土壤颗粒尺寸在0.05～0.005的分离土类冻胀性最强。具体见图1。

图1 土壤冻胀强度岁矿物颗粒尺寸的变化示意图

排除大气降水和人为灌溉的因素，当土壤冻结时，只需要了解土壤当中地下水位的具补给条件就大致能够得到未冻结地区的水分向冻结地区迁移的数量以及时间。在我国新疆地区其相关政府部门已经设计了大型的现场冻胀试验场，其主要目的就是为了实地观测地下水埋深对土壤冻胀的影响。试验发现地下水位埋置深度直接影响了土壤的冻胀强度[2]。

而温度对土冻胀的影响主要是观察期冻胀锋面的前进速度。另外，土层上覆的附加荷载，会导致土层脱水固结，增加了土层的密实度，影响水分迁移。

此外，渠道的走向也会对冻胀产生一定的影响[3]。其在南北走向问题上冻结规律没有太大差别，但是坡顶的受风作用较大，含水量较小，因此从渠道衬砌工程而言其渠坡上部冻深影响最大，渠底最小。从东西走向而言，阴阳两坡的冻深与冻结情况差别比较明显。

2 渠道衬砌工程冻胀的具体破坏机理

渠道衬砌工程当中的衬砌体受到冻胀影响主要部位是衬砌体下土体。土壤是多孔、多相的松散介质，冻结作用导致土壤冻胀，原因就是水的密度是 1 t/m3，冰的密度为 0.92 t/m3，当土壤当中的水分变成冰之后，体积就会膨胀9%，产生的冻胀力会将土颗粒排开，导致土体当中的孔隙水不受到土颗粒电分子引力的约束，造成冻结。当土壤颗粒较细时其受到的电分子引力约束就越强，冻结的时间就越缓慢。因此，可以发现在土体冻结的过程当中，大孔隙当中的自由水先被冻结，将土体当中的大颗粒抬起，之后小孔隙当中的水杯冻结将大颗粒持续抬高，形成了冻结过程当中土颗粒垂直位移的现象，与此同时土体在冻结的过程当中水出现水分向冷锋面迁移的现象，另外冻结会导致土壤当中的颗粒以及孔隙在空间排列和组合上由无序变成有序，减小土体密度，最终影响渠道衬砌工程的岸坡稳定性。

渠道衬砌工程遭受冻害呈现出一定的规律性，一般阳坡比阴坡要更加严重，冻结历时长的比冻结历时短的严重，衬砌工程出现问题其受到的冻害更严重。另外，在地下水位置或者是周边位置其渠道衬砌受害最严重。

3 新疆渠道衬砌工程抗冻胀模式分析

3.1 混凝土渠道衬砌工程抗冻胀模式

1)设置不同纵缝结构[4]。建立一个有限元模型，由于衬砌板不设纵缝对冻土以及基土的温度场没有影响，因此该方面不考虑。从最终的模拟分析得知，渠床之所以产生不均匀冻胀是因为槽形的渠道改变了以往的水分等各种因素，再加上朝向的改变，冻胀防线是沿着渠侧向里渠底向上，衬砌板冻胀量随着冻深的增大而增大。从渠底板冻胀变形来看，由于两端受到边坡的约束，冻胀变形为中部大两端小。

2)考虑到新疆的特殊气候环境最好是选用柔性增强聚合物水泥防水涂层材料，选择的这种涂层薄膜必须具有一定的弹性以及强度，目的就是为了保证其在未来出现的冻胀变形当中不会损害其与基底粘结强度，有效保证其防渗功能的完整性。在完成了涂层薄膜的覆盖工程之后，再进行渠道开挖、整坡之后，设置一个80～100 mm厚的低标号干硬性砂浆层，水泥、砂、水比例为1:6:1，完成铺设工作之后进行碾压、凿平，此举是为了提高其排水能力。渠道中还应该设计集中性的排水沟，坡降程度要大于渠道坡降水平，目的就是有效传递荷载至地基[5]。

3)防渗体有多种，其中的沥青混凝土与普通混凝土相比，其具有良好的变形性能与抗渗性能，两者性能比较见表1。

表1 普通混凝土与沥青混凝土性能比较

4)采用聚合物水泥基复合材料，其与普通混凝土相比，不管是从抗折能力、抗压强度还是粘结强度都具有明显优势[6]。另外，聚合物水泥基复合材料具有良好的延伸性与柔韧性，当渠道衬砌工程的基层出现裂缝时，聚合物水泥基复合材料能够展现出良好的随动性，如果出现裂缝裂纹，其渗漏水能够让裂纹自行封闭，但是需要注意的是聚合物水泥基复合材料也只能是针对细小裂纹才有此效果。

3.2 高地下水位滤透式刚柔耦合衬护模式

高地下水位区灌溉取代由于其特殊的水文条件导致渠床地下水外渗溢出点正好位于渠底位置。部分工程采用的是砼预制板的方式，但是这种方式在初期会有一定的效果，如果出现大量的给水就会导致边坡冻胀滑塌严重，大大降低了衬砌工程的使用寿命。

1)为了能够提高衬护结构的抗冻胀性能，有效保证结构的整体性与变形适应性，渠道的断面采用梯弧形断面方式，渠底采用圆弧形式与边坡连接，衬护结构主要由渠侧构件与渠底构件组成。

2)考虑到渠侧构件不仅要起到支护作用，还需要对内嵌块石起到固定作用，另外还需要通过块石孔隙将渗水排出。关于构件型式的设计要保证其结构简单、既便于预制又便于运输，还要保证具有一定的坚固性。

3)关于渠底衬护构件，在外形上为弧形条状构件，其圆弧半径在50～60 cm范围为最佳，其宽度在15～20 cm之间，厚度在10 cm。

4 新疆渠道衬砌工程抗冻胀模式实施

本文案例中的新疆某地区采用的是滤透式刚柔耦合结构的衬护工程。其中关于引水渠的流量设计，选择为0.86 m3/s，采用衬护的长度为400 m，渠道比例为1:1600.采用梯弧形断面，边坡比采用1:1，渠底圆弧半径取65 cm，渠深110～135 cm，渠道口宽310～380 cm，在边坡直线段设置二层衬护构件。在为期两年的观察中，该地区采用这种衬护方式渠底高程最大的变形量为3 cm，单侧的冻胀量不超过2 cm，在两年的使用过程中变形情况基本保持在比较稳定的状态。这一结果表明针对新疆这种气候条件采用滤透式刚柔耦合衬护结构能够较好地发挥出固坡导渗作用，有效降低了边坡滑塌的现象发生率。采用的这种衬护工程由于其自重力作用较为明显因此能够发生的变形量极小，之所以选择这种类型的工程也是因为即使是进入到封冻期不会产生冻胀破坏，只会出现小范围的变形。