王 灝

(青海九○六工程勘察設(shè)計院，青海 西寧 810001)

1 概述

高寒地區(qū)渠道內(nèi)水溫及混凝土溫度變化易引起渠道邊坡襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生錯位、開裂等破壞，對輸水用水造成不利的影響，因此對高寒地區(qū)的多年凍土區(qū)的渠道進行防護就顯得尤為必要。

凍融破壞是高寒地區(qū)渠道破壞常見原因，徐學祖[1]等人對凍融破壞的過程和凍脹厚度等進行了研究。Watanabe[2]等人對凍土的微觀結(jié)構(gòu)進行了觀測研究，對凍土微觀層面的研究進行了補充。石金堂[3]、張茹[4]等人對襯砌和防滲材料的壓力進行研究。渠道防護材料在1960年就開始進行研究，主要有粘土草泥襯砌、瀝青混凝土襯砌[5]、柔性膜料襯砌、土工合成材料襯砌[6]等。對于襯砌等防護結(jié)構(gòu)研究不少學者已經(jīng)開展研究[7- 8]。宋保卿[9]將混凝土襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)用弧形斷面和梯形斷面，發(fā)現(xiàn)弧形斷面的抗凍脹效果較好。馮廣志[10]對我國襯砌結(jié)構(gòu)的運行情況進行了總結(jié)，認為渠道防護的規(guī)劃設(shè)置要依據(jù)當?shù)氐牡刭|(zhì)條件。朱強[11]將凍脹強度分為四級，并對每級提出了不同的防凍措施。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，對高寒高海拔地區(qū)多年凍土區(qū)提出適合地區(qū)特性的新型防護結(jié)構(gòu)，并進行試驗對比研究。

2 工程概況

本文選取試驗地區(qū)位于高海拔地帶，該地區(qū)常年寒冷。在渠道內(nèi)的表層附近一定深度的泥土處于多年凍土狀態(tài)，其中最嚴重區(qū)域為含砂低液限粘土常年處于凍脹狀態(tài)，部分還具有弱膨脹性。渠道主要是由含細粒土細砂、高液限粘土、粉土質(zhì)細砂等組成，具有弱透水性。渠道邊坡開挖小于5m屬于一般性開挖渠道，渠道內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)為混凝土或漿砌石等剛性結(jié)構(gòu)，粗糙系數(shù)小，防滲性較好，但是抗拉能力弱，極易產(chǎn)生裂縫，隨著凍脹次數(shù)的增加易發(fā)生破壞。

3 試驗準備

3.1 相似比尺

土質(zhì)邊坡試驗相似準則為：

(1)

(2)

式中，c—相似常數(shù)；A—導溫系數(shù)；Λ—導熱系數(shù)；T—溫度；Q—單位體積水的潛熱；Τ—時間；L—幾何尺寸。

試驗采用的各模型比尺見表1。

3.2 試驗材料布置

基于上述相似準則對三種工況下的試驗方案進行溫度場和凍脹變形量進行試驗研究。模型試驗箱如圖1所示，其中長為4.5m、高為1.5m、寬為3.0m，雙向溫度控制。模型箱有補水和加熱裝置，從下到上依次為：加熱層、砂墊層、補水層、缸蓋層等。

表1 試驗?zāi)Ｐ捅瘸?/p>

圖1 模型試驗箱

襯砌結(jié)構(gòu)的選擇要依據(jù)本地破壞的原因，根據(jù)設(shè)計原則結(jié)合地質(zhì)勘查結(jié)果選擇雷諾護墊、混凝土鉸接塊、以及混凝土板與保溫板組成復(fù)合型防護板三種形式進行試驗研究。

混凝土鉸接塊的規(guī)格為：長×寬×高=0.45m×0.44m×0.15m，相互之間通過柔性鋼絞線進行連接，使其成為柔性結(jié)構(gòu)來適應(yīng)渠道的不均勻變形?；炷敛捎肅30、二次配，控制養(yǎng)護的時間和質(zhì)量。混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，在渠道內(nèi)的布置形式如圖3所示。

圖2 混凝土鉸接塊結(jié)構(gòu)圖

圖3 混凝土鉸接塊在渠道內(nèi)布置圖

雷諾護墊是由六邊形金屬網(wǎng)構(gòu)成石籠護墊，在護墊中填充石塊可用于岸坡、路基邊坡的防護，具有透水性好、緩解變形、降低揚壓力、穩(wěn)定性強等特點。本文選取的規(guī)格為：長×寬×高為6m×2m×0.23m，選取鋼絲為鍍鋁合金鋼絲，網(wǎng)格內(nèi)部采用河卵石進行填充。雷諾護墊結(jié)構(gòu)如圖4所示，其在渠道內(nèi)的布置形式如圖5所示。

圖4 雷諾護墊結(jié)構(gòu)圖

圖5 雷諾護墊在渠道內(nèi)布置圖

混凝土板是常見的襯砌材料，具有良好的防滲功能，但是保溫效果較差，將其與保溫板將結(jié)合可以很好的實現(xiàn)防凍效果。本文選取0.1mEPS保溫板和混凝土板相結(jié)合組成復(fù)合型防護結(jié)構(gòu)，其在渠道內(nèi)的布置形式如圖6所示。

圖6 復(fù)合型防護板在渠道內(nèi)布置圖

3.3 實驗準備及步驟

根據(jù)當?shù)販囟茸兓?，將氣溫變化過程分為快速降溫過程、低溫穩(wěn)定階段、升溫階段、高溫穩(wěn)定階段，每年中低溫穩(wěn)定階段持續(xù)的時間較長。

在進行試驗前對模型箱、加熱器、壓縮機等每個部位進行檢查及對應(yīng)的試運行，并對所需要的材料進行準備。

(1)試驗選取土料為在溫室條件下自然風干，試驗用土初始含水量使用多組進行平均確定，配水量根據(jù)初始含水量和土的質(zhì)量來共同確定，將試驗用土和對應(yīng)的水攪拌均勻。

(2)根據(jù)試驗相關(guān)要求使用碎石進行填充。

(3)儀器在使用前均進行校準，保證試驗的精度需求。

4 結(jié)果分析

4.1 溫度場分析

對混凝土鉸接塊、雷諾護墊和混凝土板與保溫結(jié)合的復(fù)合型防護板三種襯砌作用下的土體凍害情況進行試驗研究，得出三種工況下不同埋深土體的溫度變化過程，如圖7所示。

圖7 渠坡處不同工況土體溫度變化曲線

由圖7可知，設(shè)置三種防護結(jié)構(gòu)后渠道表面的溫度均比正常環(huán)境溫度要高，說明防護結(jié)構(gòu)均取得了一定的效果，但是三者取得效果有所不同。從整體上分析，復(fù)合型防護板結(jié)構(gòu)作用下土體溫度普遍高于其他兩種防護結(jié)構(gòu)，對各層土體進行分析發(fā)現(xiàn)比混凝土鉸接塊和雷諾護墊平均高分別為1.87℃、0.65℃。這是因為復(fù)合型防護板采用保溫板可以對下面的土體起到很好的保溫作用。

對溫度曲線研究發(fā)現(xiàn)在低溫穩(wěn)定期時，溫度分界線在15cm和20cm之間，混凝土鉸接塊布置時在20cm時的土體部分處于零度以下、雷諾護墊布置時在15cm處的土體溫度就已經(jīng)出現(xiàn)了零度以下、復(fù)合型防護板20cm處的土體大部分還處在零度以上。

在降溫階段混凝土鉸接塊、雷諾護墊、復(fù)合型防護板三種防護結(jié)構(gòu)的溫度降低速率分別為6.75、7.55、6.65℃/h。雷諾護墊的溫度降低最明顯。這是因為雷諾護墊為開放式結(jié)構(gòu)，里面為河卵石，孔隙率較大當溫度降低時襯砌下面土體的溫度高于外面大氣溫度形成對流，造成外界的冷空氣不斷的進入到襯砌中，從而導致雷諾護墊下土體溫度下降的速度較快。

對三種防護襯砌下土體的凍結(jié)深度發(fā)展過程進行分析如圖8所示。

圖8 不同襯砌下土體凍結(jié)深度發(fā)展過程線

根據(jù)圖8可知，三種防護裝置下土體的凍結(jié)深度曲線變化趨勢基本一致。雷諾護墊襯砌下土體凍結(jié)深度最大，為33.74cm，最大凍結(jié)深度出現(xiàn)的時間最晚，為205h?；炷零q接塊的凍結(jié)深度深度和時間均處于兩者之間，最大凍結(jié)深度和經(jīng)歷時間分別為27.5cm、198h。復(fù)合型防護板的最大凍結(jié)深度最小，數(shù)值為24.1cm，歷時最短，出現(xiàn)在168h時。雖然復(fù)合型防護板襯砌下土體的最大凍結(jié)深度出現(xiàn)的時間最短，但是在相同時間內(nèi)其他襯砌結(jié)構(gòu)的凍結(jié)深度更大。

4.2 凍脹融沉

對三種襯砌結(jié)構(gòu)下的凍脹和融沉變化過程進行研究，不同工況渠道斷面位移變化過程如圖9所示。

圖9 不同襯砌渠道斷面位移變化曲線

根據(jù)圖9可知，三種襯砌結(jié)構(gòu)下土體均發(fā)生了凍脹和融沉過程，且變化過程基本同步，在數(shù)值上有所區(qū)別?；炷零q接塊、雷諾護墊、復(fù)合型防護板三種襯砌結(jié)構(gòu)下的土體凍脹量分別為39.1、41.6、16.0mm；凍脹速度分別為0.10、0.16、0.06mm/h；殘余變形分別為5.7、7.3、2.2mm。最大值均出現(xiàn)在雷諾護墊襯砌時，最小值均出現(xiàn)在復(fù)合型防護板襯砌時。

5 結(jié)論

本文對渠道采用混凝土鉸接、雷諾護墊和混凝土板和保溫板結(jié)合組成復(fù)合型防護板三種襯砌結(jié)構(gòu)時的溫度和凍脹過程進行分析，得出結(jié)論：

(1)混凝土鉸接、雷諾護墊和混凝土板和保溫板結(jié)合組成的復(fù)合型防護板三種襯砌結(jié)構(gòu)下土體溫度降低速率分別為6.75、7.55、6.65℃/h；復(fù)合型防護板襯砌結(jié)構(gòu)下的土體溫度最高。

(2)雷諾護墊襯砌作用時最大凍結(jié)深度最大，為33.74cm，復(fù)合型防護板襯砌作用時最大凍結(jié)深度最小，為24.1cm。

(3)凍脹量最大值出現(xiàn)在雷諾護墊襯砌作用時，為39.1cm，最小值出現(xiàn)在復(fù)合型防護板襯砌作用時，為16.0mm。

(4)從襯砌下土體溫度、最大凍結(jié)深度、凍脹量和殘余變形綜合分析認為混凝土板和保溫板結(jié)合組成的復(fù)合型防護板為最佳防護結(jié)構(gòu)。