季节冻土区衬砌渠道典型防冻结构对比研究

2018-03-29罗丽娜

水利技术监督 2018年2期

罗丽娜

(阜新县水利勘测设计院，辽宁阜新 123100)

农业与农田水利工程息息相关，减少输水过程中的水流损失，能够实现扩大灌溉面积的目的。河渠边坡中温、土、水某一种因素或多种因素的变化会引起边坡土体的不均匀冻胀，而冻胀问题能够导致季节冻土区河渠边坡防护工程的冻融破坏，从而导致边坡防护结构错位、开裂等问题。从理论上研究土体冻融后衬砌结构的变化规律以及相关因素的影响，提出益于生态环境并且经济合理的渠道衬砌结构，是解决季节冻土区河渠边坡防护工程的冻融破坏问题的关键所在。本文根据冻土区衬砌渠道防冻结构设计原则，介绍了混凝土铰接块、雷诺护垫与预制混凝土板结合保温板三种衬砌防冻结构与其施工工序，通过现场试验采集监测点的冻胀融沉变形，并且对比分析了三种衬砌防冻结构土体的残余变形与冻胀恢复率，为解决季冻区河渠防护工程的冻害问题，提供技术方案与理论依据。

1 试验段衬砌结构设计与原则

1.1 混凝土铰接块结构

现场试验中采用的混凝土铰接块结构是一种连锁式矩阵结构，通过钢绞线把规格为0.45m×0.44m×0.15m的混凝土块连接而成。混凝土铰接块衬砌结构设计边坡比例1∶3，混凝土铰接块下方铺设300g/m2的长丝土工布，固脚位置放置格宾网箱结构，长度为24m，渠坡表面铺设混凝土铰接块，中间以卵石填充，具体布置如图1所示。

图1 混凝土铰接块衬砌系统

混凝土铰接块衬砌结构具体施工包括六道工序：①按照边坡比例进行坡面务实与清理；②固脚与土质有关，砂性土根据设计要求开挖至目标尺寸，粘性土根据设计要求开挖至目标尺寸并向渠内超挖2%～4%；③铺设土工布需要将卷材自坡顶铺设至坡底并延伸至固脚底部；④格宾网箱固脚的现场施工通过展开网箱、填充石料、封边并回填来完成；⑤铰接块施工首先固定坡脚位置，然后自下向上开始铺设，通过镀锌钢铰线连接相邻混凝土铰接块，形成一个连锁结构的整体，渠顶位置将1m长混凝土铰接块弯折插入堤体并覆土夯实；⑥通过将尺寸恰当的砂砾石料摊铺在连锁板结构表面来填满混凝土铰接块之间的缝隙。

1.2 雷诺护垫结构

雷诺护垫是透水体，能够减缓冻胀变形，雷诺护垫结构能够实现坡下土体与水体间的自然对流交换，具有对地基适应性强的优点。雷诺护垫结构的设计边坡比例同样是1∶3，雷诺护垫下方铺设300g/m2的长丝土工布，固脚位置同样放置格宾网箱结构，长度为25m，渠坡表面铺设17cm厚雷诺护垫，中间以卵石填充，具体布置如图2所示。

图2 雷诺护垫衬砌系统

雷诺护垫衬砌结构具体施工包括五道工序，前4道工序与混凝土铰接块衬砌结构相同，第5道工序为雷诺护垫的铺设工序，首先进行雷诺护垫的组装，然后自下向上进行铺设，过程中注意保持隔板的方向一致；然后进行石料填充，从坡地两侧向上填充，防止护垫发生弯曲变形；最后通过钢丝把隔板、边板与盖子进行捆绑，绑点宽度大于16cm，绑点间隔以12～16cm为宜。

1.3 预制混凝土板结合保温结构

预制混凝土板结合保温结构衬砌设计的边坡比例也是1∶3，岸坡上面铺设300g/m2的长丝土工布与砂垫层，然后摊铺6cm厚保温板与预制混凝土板，固脚位置同样放置格宾网箱结构，长度为25m，具体布置如图3所示。

图3 预制混凝土板加保温衬砌系统

预制混凝土板加保温结构施工包括六道工序，前四道工序与混凝土铰接块衬砌结构相同，不同的工序在于砂垫层施工与保温板预制混凝土板的摊铺。通过人工与挖掘机结合来进行砂垫层施工，挖掘机将砂料自上而下进行摊铺，人工配合摊铺平整。保温板的铺砌和预制混凝土板铺砌通常交叉进行，首先进行保温板的铺砌，铺砌水平顺序为沿渠道轴线错缝有序，铺砌垂向顺序为自下而上，保温板铺砌到一定范围时，将预制混凝土板铺砌其上来达到固定保温板的目的。

2 防护结构现场试验

2.1 观测布置

现场试验选择阜新县大凌河，选择背水坡护堤林中一个粗壮木墩作为变形基准点，试验现场下游有交通桥，取桥墩上一点作为基准点的校核点。选取试验工程的右岸断面作为监测断面，每个监测断面布置6个监测点，监测点分布如图4所示。

图4 变形测点布置图

试验过程对冻胀融沉变形进行9次数据采集，由于渠道底部一直存在积水导致固脚处变形，难以观测，未采集测点6的数据，而其余部位的数据信息采集完整。

2.2 位移观测观测结果与分析

通过把观测天数作为为横坐标，各衬砌冻胀变形量作为纵坐标，不同测点的各衬砌变形曲线如图5所示。

根据图5中各衬砌变形曲线可知，观测前期，各衬砌的渠基出现了沉降变形，下沉量在3.0mm之内，原因是冻结阶段初期，由于热胀冷缩作用导致土体中尚未迁移的水分发生冷缩，从而出现一定的变形量。三种衬砌结构的冻胀最大变形皆出现在接近固脚的渠坡位置，最小出现在渠顶位置。以混凝土铰接块结构为例，靠近破面的冻胀变形较大，渠顶的冻胀变形较小，冻胀变形在测点4出现最大值后然后开始缩小，但变形量大于测点3。土体含水量越多，水分冻胀体积增大越明显，渠顶土体含水较少，冻胀变形就会较小，而渠坡土体含水量相对较多，则衬砌的冻胀变形就相应的变大。测点5虽然含水量大，但是由于衬砌的冻胀变形小于格宾网箱固脚的重量，所以该位置的冻胀变形并不符合上述规律。

根据试验区域的负温积温与测点4位置的最大冻胀变形值，绘制出各衬砌冻胀变形与负温积温的关系曲线，如图6所示。

图5 各衬砌变形曲线

图6 冻胀变形与负温积温关系曲线

由图6中知，预制混凝土板结合保温结构冻胀变形随负温的累积变化速度最慢，混凝土铰接块衬砌的冻胀变形速度稍快，雷诺护垫衬砌结构的冻胀变形最快。这是因为混凝土铰接块与雷诺护垫结构热阻小、相对透气度较高，对外界温度变化敏感，不能减缓温度梯度，所以冻胀变形相对较大。三种衬砌结构最大的冻胀变形量为：预制混凝土板加保温结构(5.8cm)<混凝土铰接块结构(13.8cm)<雷诺护垫结构(15.7cm)。

土体由于渠道基土中的水冻结成冰而引起体积冻胀，融化以后体积又会减小，冷冻融化的过程能够改变土体结构，导致土体的沉融，增大土壤颗粒之间的距离，解冻以后土壤颗粒之间的距离在上部负荷与重力作用下开始缩小，但是由于融沉变形的作用力要小于冻胀过程中的冻胀力，使得土壤颗粒之间的距离比冻结之前大，融沉变形与冻胀变形之间的差值称作残余变形，本文各结构的残余变形大小顺序为：预制混凝土板加保温结构(0.65cm)<混凝土铰接块结构(1.66cm)<雷诺护垫结构(2.21cm)。

冻胀恢复率为最大冻胀变形扣除残余变形后与最大冻胀变形的比值，用来衡量冻土冻胀的恢复能力，冻土冻胀恢复的能力与残余变形大小密切相关，而残余变形与冻胀变形量表现为相似规律。不同结构具有不同的冻胀恢复率，试验结果表明：冻胀恢复率与其所处位置的冻胀变形密切相关。某一位置的冻胀量越小，则冻胀恢复率能够大于90%，融化后更容易恢复，反之冻胀恢复率只有80%～90%。通过综合比较发现，雷诺护垫的冻胀恢复率最小，混凝土铰接块次之，预制混凝土板加保温结构的冻胀恢复率最高，恢复能力最好。