謝 銳，王志軍

(江西省水利投資集團有限公司，南昌 330000)

1 混凝土渠道凍脹破壞的主要影響因素

1.1 渠基土質(zhì)

渠基土質(zhì)情況主要由土體中顆粒粒度組成、礦物成分與土體密度決定，而這些因素相組合也就決定了該地土體的凍脹強度。通常來說，某地土體顆粒粒徑越小，土體發(fā)生凍脹的幾率越高。此外，土體中的礦物成分與組成將直接影響土體的性質(zhì)及其導(dǎo)熱系數(shù)，而土體的導(dǎo)熱系數(shù)的高低將直接影響土體的凍脹，一般導(dǎo)熱系數(shù)越大，土體凍脹破壞越嚴重。

1.2 渠道端面襯砌形式

在發(fā)生凍脹破壞時，不同的襯砌形式將會出現(xiàn)不同的凍脹破壞程度。這是由于襯砌形式的差異將導(dǎo)致渠道襯砌的受力結(jié)構(gòu)與大小存在差異，在相同外力的作用下，之于不同的襯砌形式的渠道，其內(nèi)力存在較大的差異。

1.3 渠道走向

根據(jù)對各地、各走向的渠道的考察可以發(fā)現(xiàn)，渠道走向的差異也在很大程度上影響渠道的凍脹破壞程度。渠道走向的不同，在長期內(nèi)將會影響渠道端面在陽光照射、風(fēng)力、風(fēng)向、地下水流向等諸多外部環(huán)境因素，這些因素的不同將影響渠基土的溫度、含水量等一些方面，當(dāng)凍脹破壞發(fā)生時，這些因素的差異將會造成渠道破壞程度的不同。

2 U型混凝土渠道凍脹監(jiān)測試驗

2.1 U型混凝土凍脹監(jiān)測試驗區(qū)域概況

2.1.1 地理位置及環(huán)境條件

試驗選取地區(qū)位于寧夏平羅縣境內(nèi)，地處銀川平原北部，屬洪積與沖積平原的交匯地帶，地勢平坦，平均海拔11.9m，地層沉積主要為瀉湖相沉積，這對該地區(qū)的水質(zhì)條件影響較大。地下水的埋深范圍在1.5m左右，水礦化度偏高。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，這一地區(qū)年平均氣溫為8.2攝氏度，日照充足，日照時間相對較長，農(nóng)業(yè)發(fā)展大多依賴人為灌溉為主。這一地區(qū)用于灌溉的水資源主要包括地表水、地下水與黃河過境水。

2.1.2 水利工程概況

試驗所在地區(qū)的水源供給主要由八一支渠提供，總體共有14條斗渠經(jīng)八一支渠取水，其中，土渠為主要類型，少部分擁有完好砌護。由于相關(guān)的灌水基礎(chǔ)設(shè)施缺乏系統(tǒng)性與完整性，因而在使用過程中灌水難度較大。在對末級渠道的進一步勘察過程中，可以發(fā)現(xiàn)這一地區(qū)大部分渠道的砌護措施均處于缺失狀態(tài)，因而在灌水過程中滲漏現(xiàn)象普遍存在，有些滲漏導(dǎo)致灌水率大幅降低。此外，在這一地區(qū)，灌溉方式主要采用大漫灌的形式，綜合以上因素，試驗地區(qū)的水資源浪費現(xiàn)象較為嚴重。

2.2 U型混凝土渠道凍脹監(jiān)測試驗主要研究內(nèi)容

根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)形式的差異，將試驗分為整體式U型混凝土渠道、兩拼式U型混凝土渠道與多拼式U型混凝土渠道三種結(jié)構(gòu)進行，監(jiān)測外部環(huán)境(氣溫、地溫等)、襯砌結(jié)構(gòu)凍脹量、法向凍脹力等指標，對不同結(jié)構(gòu)下的渠道凍脹進行監(jiān)測，就監(jiān)測的相應(yīng)數(shù)據(jù)進行整理與分析，探究不同結(jié)構(gòu)、不同參數(shù)下的渠道凍脹規(guī)律，分析U型混凝土渠道凍脹破壞的原因及其特征。

2.3 試驗方案及觀測方法

進行U型混凝土渠道凍脹監(jiān)測試驗的過程中，按照結(jié)構(gòu)的不同分為三組分別進行試驗，試驗主要觀測儀器包括數(shù)字萬用表、凍土器、水準儀與壓力盒。在不同結(jié)構(gòu)的U型混凝土渠道凍脹監(jiān)測試驗中，地溫和凍深的位置布置主要在各襯砌段的中間部分，凍深的監(jiān)測則在渠底，凍脹監(jiān)測的觀測主要依賴于錨桿與鋼絲的配置，將試驗渠段兩端固定上錨桿，并根據(jù)語氣凍脹量配置相應(yīng)的鋼絲，鋼絲放置時應(yīng)當(dāng)與混凝土襯砌板始終保持平行，同時，鋼絲應(yīng)當(dāng)盡可能保證拉直的狀態(tài)，如此旨在減少由于鋼絲變形導(dǎo)致的試驗誤差。試驗中壓力盒置于渠基土與襯砌結(jié)構(gòu)的接觸面，受壓面背向于襯砌結(jié)構(gòu)，并與其保持平行，壓力盒分布的數(shù)量不宜過少，不同結(jié)構(gòu)下的觀測橫斷面應(yīng)當(dāng)布置三至五個為宜。

(a)整體式U型渠道

(b)兩拼式U型渠道

(c)多拼式U型渠道

3種結(jié)構(gòu)的U型渠道的地溫與凍深監(jiān)測分布大體如圖1所示。地溫的監(jiān)測主要依賴于數(shù)字萬用表與熱敏電阻兩種儀器，將熱敏電阻埋于U型渠底，在陰陽坡坡腳及其坡板上部20cm左右處均安置相應(yīng)的熱敏電阻，在埋設(shè)過程中，自埋深深度最大處依次進行熱敏電阻埋設(shè)，根據(jù)不同的埋深深度運用取土鉆土的方法將熱敏電阻埋于不同深度的土體中以備監(jiān)測，埋設(shè)完畢后填土夯實。對U型混凝土凍深的監(jiān)測則主要凍土器，凍土器的主要測量配件是外管與內(nèi)管，凍深的測量則是對內(nèi)管內(nèi)的水在埋設(shè)后的凍結(jié)長度而確定。通常來說，凍土器的埋設(shè)位置與壓力盒相似，凍土器埋設(shè)的時間應(yīng)盡量在渠基土凍結(jié)之前。

圖2 U型渠道凍脹量觀測方案示意圖

在不同結(jié)構(gòu)的U型渠道凍脹量檢測中，均采用鋼絲法進行凍脹量的測量。如圖2所示，在確定試驗渠段后，首先確定標準定位測點，并將錨桿設(shè)定好并刻槽，再將用于監(jiān)測的鋼絲固定好，最終的凍脹量測定則是由游標卡尺對鋼絲與測點之間的垂直距離進行測量，其結(jié)果即為不同結(jié)構(gòu)的U型渠道凍脹量。

(a)整體式U型渠道

(b)兩拼式U型渠道

(c)多拼式U型渠道

測量不同結(jié)構(gòu)的U型渠道的凍脹應(yīng)力的主要儀器為壓力盒，如圖3所示，不同結(jié)構(gòu)下的凍脹應(yīng)力的觀測方案略有不同。壓力盒主要埋設(shè)于U型渠道的底部和陰陽面坡板與弧板的交界處，壓力盒的埋設(shè)應(yīng)當(dāng)注意將壓力盒與襯砌板保持平行，壓力盒埋設(shè)深度應(yīng)當(dāng)與坡面保持大約10cm的距離，同時，埋設(shè)過程不免造成對原狀土的干擾與破壞，但應(yīng)盡量減少這一干擾與破壞，在埋設(shè)后應(yīng)當(dāng)盡量將土層恢復(fù)原狀。相對而言，整體式U型渠道的觀測截面尺寸較小，因此，壓力盒的分布只需3個即可；而兩拼式與三拼式U型渠道的觀測面尺寸相對較大，因此，壓力盒的設(shè)置數(shù)量應(yīng)當(dāng)為5個。三者壓力盒的埋設(shè)方法基本一致。

2.4 試驗觀測數(shù)據(jù)及分析

2.4.1 凍脹量

試驗過程中對整體式、兩拼式與三拼式U型渠道在不同時間、不同位置的凍脹量監(jiān)測結(jié)果數(shù)據(jù)加以記錄，并就不同結(jié)構(gòu)下的其變化趨勢加以分析，可以看出，整體式U型混凝土渠道的整體變化量較為平緩，凍脹量變化最為顯著的不穩(wěn)在于坡腳處，隨著時間的推移，凍脹量變化與日期有著某種相關(guān)關(guān)系。在縱向凍脹量變化數(shù)據(jù)及趨勢中可以看出，整體式U型混凝土渠道陰陽坡腳處的凍脹量變化相對較為劇烈，其凍脹量變化峰值基本在二月中旬達到，與橫向凍脹量峰值到達時間基本保持一致。

分析對比整體式U型渠道與兩拼式U型渠道的凍脹量變化數(shù)據(jù)及趨勢可以看出，相對于整體式U型渠道而言，兩拼式的凍脹量變化相對劇烈，凍脹量在一、二月之間呈現(xiàn)出顯著上升趨勢，在二月中旬后有所下降，凍脹量變化較為顯著的地區(qū)在渠道坡板與底部弧板交界部位。本試驗中的兩拼式U型混凝土渠道有其一定的特殊性，其位置為東西走向，由于日照程度的差異，其陰陽坡在溫度等方面存在較大的差異，陰坡在凍融期基本處于無陽光照射階段，而陽坡則長期處于陽光直射狀態(tài)。由此課件，渠道的走向?qū)η赖膬雒浟康挠绊懸草^大。

相對于以上兩者而言，多拼式U型渠道的底部凍脹量變化較大，但不及兩拼式U型渠道。對比橫縱凍脹量變化可知，不同觀測點的縱向凍脹變化基本一致，增減幅度也基本相等，只在試驗段的兩端存在些許差異，考慮存在兩端監(jiān)測點受到了破壞而形成。而橫向凍脹量的變化主要在于陰陽坡的環(huán)境差異，陰坡的凍脹量最為顯著，高于渠底與陽坡的凍脹量變化。

綜合以上凍脹量變化的情況看，從數(shù)值角度分析，凍脹量變化最大的為兩拼式U型混凝土渠道，其次則是多拼式U型渠道，而整體式U型渠道的凍脹量變化最小。究其緣由，除了渠道走向等因素造成的外部環(huán)境的差異外，渠道的襯砌尺寸、開挖深度、襯砌結(jié)構(gòu)的差異等也是重要的影響因素。三種不同結(jié)構(gòu)的渠道的最大凍脹量均出現(xiàn)在渠道底部，分析后得出由于渠道底部處于渠道整體結(jié)構(gòu)中最深的區(qū)域，受到地下水位及其基土含水量的影響，在冬季水分將會向凍結(jié)面遷移，自然其凍脹量最大。三者相比較而言，整體式U型渠道的整體襯砌尺寸最小，襯砌的完整性與整體性較高。而兩拼式U型渠道與三拼式U型渠道的整體性相對較差，存在較多的分縫，結(jié)構(gòu)整體剛度下降。

2.4.2 地溫

根據(jù)試驗中整體式、兩拼式與三拼式U型渠道在陰陽坡地溫變化數(shù)據(jù)及其趨勢情況，可以得出，同道中一渠道陽坡地溫明顯大于陰坡，差值相對較為明顯，不同結(jié)構(gòu)的渠道中同一位置的地溫值差別較小。對比試驗時段內(nèi)大氣溫度情況來看，在距地面深度50cm內(nèi)的地溫值變化受到大氣溫度的影響較大，其變化與大氣溫度的變化情況較為一致。當(dāng)深度大于50cm時，地溫值的變化基本不受大氣溫度的影響，地溫隨著深度的增加而增加。從時間角度看，整個凍融期內(nèi)，地溫值的變化呈現(xiàn)先減后增的趨勢，在二月中旬達到了地溫最小值，而后逐漸回升并趨于穩(wěn)定。

3 結(jié) 語

綜上所述，渠道之于灌溉系統(tǒng)來說有著不可或缺的作用，它是灌溉系統(tǒng)的基本構(gòu)成單元，也是灌溉系統(tǒng)得以實現(xiàn)其使用價值的重要部分。因此，渠道的使用效率與效益將直接影響灌溉的質(zhì)量。在我國，由于氣候條件等因素的影響，渠道凍脹破壞現(xiàn)象在某些地區(qū)普遍存在，大大影響了渠道的使用效率與效益。文章圍繞U型混凝土渠道凍脹監(jiān)測展開探討，選取我國某地區(qū)渠道凍脹情況展開監(jiān)測，就不同襯砌結(jié)構(gòu)下的渠道凍脹情況進行對比，就相關(guān)數(shù)據(jù)分析渠道凍脹與某些因素的關(guān)系。基于此，旨在為我國未來U型混凝土凍脹破壞的防治與處理提供些許參考。

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