魏　勇

(新疆维吾尔自治区玛纳斯河流域管理处，新疆 石河子 832000)



玛纳斯河灌区混凝土渠道冻涨机理及防护要点解析

魏勇

(新疆维吾尔自治区玛纳斯河流域管理处，新疆 石河子 832000)

[摘要]在灌区农业节水技术中一个非常关键的指标是提高混凝土渠道水的利用效率。新疆玛纳斯河由于位于严寒地带，在春季和冬季交替的时候会出现严重的冻涨破坏现象。将分析玛纳斯河罐区混凝土渠道冻涨破坏的机理，进而提出针对性的防护措施。

[关键词]玛纳斯河；罐区；混凝土渠道；冻涨机理；防护

由于近年来对罐区进行了大量的改建工作，使得大多数罐区的混凝土渠道达到了防渗的目的，渠道水利用效率得到大幅度提升。玛纳斯河罐区因为存在严重的水资源供给和需求矛盾，同时由于受季节气温变化的影响明显，有非常严重的渠道冻涨破坏情况。所以，就要重视罐区混凝土渠道的冻涨破坏现象，着重提高渠道水资源的利用效率，进而保证农业发展节水技术目标的实现。

1分析混凝土渠道冻涨破坏原理

在罐区混凝土渠道受到冻涨影响的情况下，这种作用力就会在衬砌板上表现出来，进而导致衬砌板要求出现变形，如果这种变形无法实现，就会形成一定的应力，当其比混凝土自身的强度高时，会造成破坏，因而衬砌板的冻涨破坏和作用力的约束强度有直接的关系。渠道出现变形时，所有结构之间，以及所有结构内部之间的不同质点都将形成约束，有外约束、内约束，其中外约束又包括自由体、全约束以及弹性约束[1]。自由体指的是混凝土渠道发生自由变形,这种变形没有受到任何结构的约束影响，应力表现为零。全约束指的是结构发生变形时，其余结构会对其实施整体约束，也就是应力表现出最大，变形是零。弹性约束指的是在自由体和全约束之间的约束状态，会形成部分变形，不仅具有变形情况，而且还具有一定的应力。

2根据法向自由体板应力，分析混凝土渠道冻涨破坏机理

根据法向自由体板应力分析混凝土渠道冻涨破坏机理，具体的方法就是将一块混凝土板放置在含水土层上面，当发生冻涨现象时，放置的混凝土板和土层就会同时发生冻涨，在这个过程里面，会形成一定的冻涨变形，将其称作冻涨数量，定为H，同样地， 混凝土板也会形成H变形。

混凝土边坡板是根据坡脚而进行倾斜安置的，其变行和以上所述的情形形似，具体说就是有渠道底部到渠道顶部的法向变形越来越接近自由变形，只有渠道坡脚位置和周边的法向变形受到底板和其下冻土的极大约束[2]，所以，在这个位置就会形成一定的法向冻涨力，由于约束渠道边坡的法向变形在边坡板周边的范围不大，同时和底板存在一定的衔接关系，就可以将此处的法向冻涨力忽略掉，边坡板内的法向冻涨力是零。

由于边坡板内的法向冻涨力是零，因此，其冻涨力就只能是沿着切向方向进行，并且决定着边坡板的切向变形[3]。因为混凝土渠道底部土体的含水量比渠道顶部的大出许多，因而相应地底部的冻涨量就比顶部的高，将这两者之间的差值设置成△H，对于渠道边坡角来说，边坡角和坡顶处也存在一定的差值△H，就可以按照这个差值将边坡板在经过一定的冻涨变形之后的长度缩短数量△L计算出来，如图1和图2所示。

图1　混凝土渠道横断面冻涨破坏变形图

图2　渠道边坡板冻涨破坏变位图

具体的计算式子是

(1)

混凝土渠道边坡板会在轴向方向上形成一定的压缩变形△L，表明这种冻涨力一定是在轴向上形成的压力。因为这种边坡板是一种刚性较强的板，一般情况下不会发生变形，也就是混凝土板衬砌渠道在形成冻涨的过程中，形成的切向约束是全约束，变形量是△L约等于零，边坡板内部的应力较大。

3分析混凝土渠道的衬砌板受力状况

如果混凝土渠道出现冻涨现象，其衬砌板和底部的土层就会由于发生冻结而连接在一起，当含水层发生变形，就会把渠道从整体上提高，如图3所示。

以下将分别分析渠道边坡板在切向方位的变位和法向变位，就可以进一步分析边坡板的切向冻涨力和法向冻涨力。

图3　渠道边坡板和冻涨含水土层之间的应力图

3.1分析渠道边坡板的受力

因为边坡板坡脚和顶部位置的冻涨量存在一定的差值，并且其变形量为零，在其和底部含水土层冻结在一起时，就可以在顶部冻土层之间接触的位置形成一定的阻力，这个阻力主要是作用在边坡板的切向方向，因而将其称作切向冻涨力。将其设置成T，将纵方向上渠道边坡板的应力设为F,则冻涨力F的表达式是：

(2)

式中：L表示的是渠道边坡板沿斜坡方向的长度。

再把以上计算出来的切向冻涨力F在平行方向上进行移动，充分考虑边坡板自身的重量，则在其轴方向上的作用力就是压力N和力矩M，如图4所示。

图4　渠道边坡板的受力分析图

当边坡板和含水土层因冻结连在一起，因为切向冻涨力而使边坡板出现被挤压的情况，这种作用力就称之为拉力。当边坡板的应力达到最大值是，就表示土层可以承受相当的拉力[4]。边坡板底部土层的抗拉性能是其土层冻结的强度t和土层横断截面的乘积，则可以表示为：

T=T×H

(3)

式中：T为土层的冻结强度；H为土层的冻结深度，T和土层冻结的温度有很大关系，如果温度是在零下15摄氏度以上，计算出的t是负温的绝对值。

3.2分析渠道底板的受力情况

因为边坡板和底板之间是用一定的方式衔接在一起的，底板受到的作用力主要是来自于不同的侧面边坡板[5]，将其设置为N，就可以把N分解成在水平方向和垂直方向的作用力x,y，其中底板自身的重量是g，地基的反作用力是q，表达式为：

Nx=N×cosa

Ny=N×sina

(4)

将扣除底板自身重力的约束力设置成Qn，表达式就是

Qn=2Ny/b

(5)

渠道底板的最大弯曲力矩M可以根据以下计算式得出：

M=Qn×b2/8

(6)

渠道底板不仅存在压杆失去平衡的问题，同时还存在受到弯曲破坏的问题，在将边坡板的内部受力计算出来以后，就可以运用以上计算式计算出渠道底板的内部受力。

3.3分析消除边坡板上切向冻涨力的措施

玛纳斯河罐区混凝土渠道在进行冻涨的过程中，边坡板和含水土层在切向方向上的约束是全约束，约束反力就是这种冻涨力。如果将两者之间的约束关系进行消除，就不会形成约束力了，进而切向方向上的冻涨力也就会解除[6]。因此，就可以把一层可以在负温不会出现冻结的滑动隔离层放置在混凝土渠道的边坡板的底部位置，进而使两者之间的冻结现象消除，实现渠道边坡板上切向冻涨力解除的目的。

4玛纳斯河罐区混凝土渠道冻涨的防护要点

要做好罐区混凝土渠道冻涨的防护工作，就需要做好以下几点：(1)及时维修罐区渠道，将冻涨部位不合格的垫层进行替换，对于含水土层较高，冻涨现象严重的部位，可以适当加厚土层的厚度。同时，还要对破坏的缝隙及时进行修补和完善。另外，对于变形非常严重的罐区渠道，需要对其进行重挖、重新填埋，保证含水土层的密度。(2)建立合理的排水系统。在渠道地下含水层较高的部位，可以在渠道旁边建立一定的排水系统，以可以更好地将水体的补给来源及时切断，在具体修建排水沟时，可以修剪成明沟或者是暗沟，要全面结合不同的地形条件考虑。(3)转变罐区渠道的运行形式，强化渠道的管理。合理安排农作物的灌溉时间，尽量运用原有的罐区渠道实施农作物的灌溉，以便可以降低土层中水分的补给量。另外，还要强化罐区渠道的调度管理力度，保证不会出现超灌的情况，使罐区地下水位在进入寒冬季节时，可以得到有效控制。

5结语

新疆玛纳斯河罐区混凝土渠道的水利用率的提高，是适应当前水力工程快速建设和农业发展现代化的表现，同时也是实现水力现代化管理的必经途径。由于近年来，对西部地区的大力建设和开发力度逐渐加深，使得一些先进的技术和设备在罐区渠道的运用中更为广泛，以进一步提升罐区混凝土渠道的水利用效率， 促进农业化的现代化发展。所以，就要重视对混凝土渠道冻涨破坏的机理进行分析，以便可以找出玛纳斯河罐区冻涨现象出现的最根本原因，然后提出针对性的解决方法，消除渠道边坡板和底板所受的冻涨力，并做好渠道的防护工作。

参考文献

[1]白国库.灌区混凝土防渗渠道冻害原因分析及防护措施探讨[J].水利建设与管理.2013,33(8):66-68,71.

[2]刘淑珍,黄志刚.建平县白山灌区混凝土防渗渠道冻害的产生原因及防护措施[J].现代农业科技.2010,(15):303,305.

[3]樊晓东.深挖渠道边坡工程防护中的高压摆喷灌浆试验研究[J].水电能源科学.2012,30(7):119-122.

[4]李国忠,李玉斌,吴富平，等.黑龙江省渠道防渗防冻胀技术应用模式[J].黑龙江水利科技.2011,39(1):65-67.

[5]刘淑珍,黄志刚.建平县白山灌区混凝土防渗渠道冻害的产生原因及防护措施[C].//2011全国灌区信息化建设与防渗抗冻胀新技术应用研讨会论文集.2011:47-49.

[6]牛慧玲.刘庄引黄灌区混凝土防渗渠道冻害原因及防护措施[J].建筑·建材·装饰.2015,(1):64-64,76.

[收稿日期]2015-10-28

[作者简介]魏勇(1973-)，男，四川绵阳人，主要从事水管工作测配水工作。

[中图分类号]TV91

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)01-0131-02