赵 斐，辛明芳

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司， 天津 300202；2.内蒙古引绰济辽供水有限责任公司， 内蒙古 乌兰浩特 137400)

1 概述

灌溉技术是农业发展的必要基础，随着社会的发展和进步，人们对粮食数量和质量的需求度不断提高，对灌溉技术水平的要求也愈加提高，农田灌溉渠道应运而生。我国作为人口大国和水资源相对贫乏的国家，提高灌溉渠道水资源的利用率，充分发挥有限水资源的价值和作用就显得尤为重要。

盐碱土指的是土壤中易溶盐含量超过0.3%的土，其具有盐胀、融陷和腐蚀等不良工程特点，给农业生产造成诸多不利影响[1]。在我国，也有十分广泛的盐碱土分布，松嫩平原、黄淮海平原、滨海地区和西北内陆地区均有大面积的盐碱土分布。当盐碱土的含水量较低时，其中的大部分盐分会以晶体的形式存在于土壤颗粒之间，起到一定的骨架作用，因此土体的承载力较强。但是在降雨、灌溉等条件下，土壤中的盐分溶解，进而造成渠道衬砌结构的融陷，而在冬季低温条件下又会造成十分严重的冻胀破坏[2]。因此，在盐碱土地区进行渠道建设时，不仅要需要提高衬砌结构的强度和抗腐蚀性，还应该对渠道基土进行改良，提升其抗冻胀性能。根据李宏波等人的研究，综合利用水泥、粉煤灰、硅灰、镁渣等材料对盐碱土进行改良，可以获得良好的固化效果，提高渠道基土的承载力，同时还可以实现工业废料的资源化利用，具有良好的工程价值、经济价值和生态价值[3]。基于此，此次研究通过现场冻胀试验的方法，对盐渍区输水渠道固化土衬砌结构厚度进行优化研究，为相关工程建设提供有益的经验借鉴。

2 材料与方法

2.1 试验区概况

此次研究的试验区为某灌区2#支渠的南侧，范围约2.23hm2，地下水埋深较大，一般为25～38m，不会对试验结果造成明显影响。试验区内的地形较为平坦，高程在133～135m左右，主要种植小麦和玉米等农作物。试验区内包含了1条进水支渠，8条进水斗渠、12条排水斗沟和1条排水支沟。灌区内的每条沟渠控制灌溉面积约3hm2左右，由于部分渠道的比降相对较大，且盐碱土的湿陷性较大，因此渠道的损坏现象比较严重。试验区的土壤以盐碱土为主，大部分为中度盐碱土，其中重度盐碱土约占30%。所选取的试验段土壤为中度到中度盐碱土，在试验区土壤中具有代表性。试验区为典型的温带大陆性季风气候，夏季炎热，冬季漫长，春秋两季比较短促，多年平均气温为4.5℃，极端最高气温37.8℃，极端最低气温-34.8℃，最大冻土深度2.04m。

2.2 试验段选择

此次现场试验的主要目的是获取固化土厚度对衬砌结构防冻胀性能的影响，因此应该选择完整渠道的一部分，保证监测数据的真实性和有效性能够有效支撑试验结论，为相关工程建设提供借鉴和支持[4]。另一方面，在试验段的选择过程中，还应该先进行钻土探查，看深层是否存在较大砾石和碎石区，如果有就需要另选试验段。同时，试验段应该靠近电源，保证监测设备能够正常工作[5]。基于上述要求，试验中选择试验区支渠2+233～2+293段作为试验段，每种试验方案渠段长10m，试验段总长60m。试验段渠道为梯形断面设计，渠深1.5m，渠坡坡度为1∶1.5；渠底宽0.8m。其断面如图1所示。

图1 试验段断面示意图

2.3 监测设备

试验中需要用到的监测设备有振弦式土压力盒、振弦式侧缝位移计、振弦式孔隙水压力计、温湿度传感器、多通道数据采集仪和设备箱[6]。其中，冻胀量的监测采用的是振弦式测缝计监测，其结构小，输出灵敏度高，测量范围为0～50mm，测量精度小于0.1mm；冻胀力的监测利用振弦式土压力盒监测，其测量范围为0～10MPa，测量误差小于0.1MPa。

经过和灌区负责人的沟通，在2020年6月进行固化土和衬砌结构施工以及监测设备的布设，然后进行一个冬季的冻胀监测，试验于2021年4月15日结束。由于监测设备需要利用电池供电，冬季和连续阴雨天会导致太阳能电池电量不足，需要在附近拉取电线进行供电。

2.4 试验方案

根据李宏波等人的研究成果，利用水泥、粉煤灰、硅灰和镁渣对试验段的渠基土进行改良和固化，其固化土的配比方案为水泥3%、粉煤灰20%、硅灰5%、镁渣30%。按照上述比例对研究段渠道基土进行换填、夯实，然后再进行衬砌结构的施工，上部的衬砌结构为厚度8cm的C25现浇混凝土板[7]。鉴于北方寒区的输水渠道冻胀破坏过程中，下部的法向冻胀力和冻结力明显偏大。考虑此次研究中固化土的性质和现场的实际情况，研究中确定坡顶部位的加固厚度为30 cm，将坡脚部位的加固厚度视为变量，分别设计30、40、50、60、70cm的厚度进行试验(渠底的加固厚度与坡脚相同)，同时将没有设置固化土的方案作为对比方案。试验中对各种不同厚度方案下的冻胀特征进行监测和分析，并结合工程经济性，综合确定最佳的加固厚度。

由于选取的试验段基本呈南北走向，因此两侧渠坡的冻胀特征方面并无明显的差异，因此仅对渠道的右侧渠坡和渠底进行监测[8]。为了保证试验结果的科学性和准确性，每种试验方案设置在冻胀量最大的渠坡距离渠底2/3部位以及渠底中部分别设置3个监测点，分别距离该方案试验段起点3、5、7m的部位。将3个监测点数据的均值作为最终试验结果。

3 试验结果与分析

3.1 冻胀量

在试验获取的数据中提取出不同试验方案渠坡和渠底的冻胀量的最大值，结果见表1。由表1中的数据可以看出，与没有设置固化土的对比方案相比，在设置固化体渠基土结构方案下，渠道的最大冻胀量均有十分明显减小，减小幅度在40%～60%左右。由此可见，设置渠基固化土可以有效控制渠道冬春季的冻胀变形，抗冻胀效果十分明显。

表1 衬砌冻胀量最大值试验结果

为了进一步分析不同厚度固化土的抗冻胀效果，利用表1中的数据绘制出冻胀量随固化土厚度的变化曲线，结果如图2所示。由图2可以看出，渠坡和渠底的最大冻胀量均随着加固土厚度的增加而减小，说明加固土的厚度越大，抗冻胀效果越强[9]。另一方面，当加固土的厚度小于50cm时，最大冻胀量随加固土厚度的增加而迅速减小，当加固土的厚度小于50cm时，最大冻胀量的减小不明显。因此，从冻胀量试验结果和工程经济性考虑，加固土的厚度以50cm为最佳。

图2 冻胀量随加固土厚度变化曲线

3.2法向冻胀力

在试验获取的数据中提取出不同试验方案渠坡和渠底的法向冻胀力最大值，结果见表2。由表2中的数据可以看出，与没有设置固化土的对比方案相比，在设置固化体渠基土结构方案下，渠道的最大法向冻胀力均有明显减小，减小幅度在30%～50%左右。由此可见，设置渠基固化土可以有效控制渠道冬春季的冻胀变形，抗冻胀效果明显。

表2 衬砌法向冻胀力试验结果

为了进一步分析不同厚度固化土的抗冻胀效果，利用表2中的数据绘制出法向冻胀力随固化土厚度的变化曲线，结果如图3所示。由图3可以看出，渠坡和渠底的最大法向冻胀力均随着加固土厚度的增加而减小，说明加固土的厚度越大，抗冻胀效果越强[10]。另一方面，当加固土的厚度小于50cm时，最大法向冻胀力随加固土厚度的增加而迅速减小，当加固土的厚度小于50cm时，最大法向冻胀力的减小不明显。因此，从法向冻胀力试验结果和工程经济性考虑，加固土的厚度以50cm为最佳。

图3 最大法向冻胀力变化曲线

3.3 切向冻胀力

在试验获取的数据中提取出不同试验方案渠坡和渠底的切向冻胀力最大值，结果见表3，绘制的最大切向冻胀力随加固土厚度变化曲线如图4所示。由试验结果可以看出，最大切向冻胀力的变化与冻胀量和法向冻胀力具有相同的变化规律。因此，结合试验结果和工程经济性，推荐采用厚度为50cm的固化土。

表3 衬砌切向冻胀力试验结果

图4 最大切向冻胀力变化曲线

4 结论

此次研究通过现场试验的方法，研究了盐渍区渠道固化土结构最佳厚度问题。研究结果显示：设置固化土结构的各个方案的最大冻胀量、最大法向冻胀力和切向冻胀力均大幅减小，说明固化土结构对提高渠道衬砌抗冻胀性能具有显著作用；从不同方案的对比来看，固化土结构厚度超过50cm时，其对防冻胀性能的提升作用较为有限；结合工程的经济性，建议固化土结构厚度为50cm。当然，此次研究中对变量的设置比较单一，没有考虑上部衬砌结构的综合影响，另采集样本均有限，在今后的研究中需要进一步扩大样本进行试验和分析，以获得更为全面和科学的研究成果。