高寒高海拔冻土区渠道防护技术研究

王 灏

(青海九○六工程勘察设计院，青海 西宁 810001)

1 概述

高寒地区渠道内水温及混凝土温度变化易引起渠道边坡衬砌结构发生错位、开裂等破坏，对输水用水造成不利的影响，因此对高寒地区的多年冻土区的渠道进行防护就显得尤为必要。

冻融破坏是高寒地区渠道破坏常见原因，徐学祖[1]等人对冻融破坏的过程和冻胀厚度等进行了研究。Watanabe[2]等人对冻土的微观结构进行了观测研究，对冻土微观层面的研究进行了补充。石金堂[3]、张茹[4]等人对衬砌和防渗材料的压力进行研究。渠道防护材料在1960年就开始进行研究，主要有粘土草泥衬砌、沥青混凝土衬砌[5]、柔性膜料衬砌、土工合成材料衬砌[6]等。对于衬砌等防护结构研究不少学者已经开展研究[7- 8]。宋保卿[9]将混凝土衬砌结构应用弧形断面和梯形断面，发现弧形断面的抗冻胀效果较好。冯广志[10]对我国衬砌结构的运行情况进行了总结，认为渠道防护的规划设置要依据当地的地质条件。朱强[11]将冻胀强度分为四级，并对每级提出了不同的防冻措施。

本文在前人的研究基础上，对高寒高海拔地区多年冻土区提出适合地区特性的新型防护结构，并进行试验对比研究。

2 工程概况

本文选取试验地区位于高海拔地带，该地区常年寒冷。在渠道内的表层附近一定深度的泥土处于多年冻土状态，其中最严重区域为含砂低液限粘土常年处于冻胀状态，部分还具有弱膨胀性。渠道主要是由含细粒土细砂、高液限粘土、粉土质细砂等组成，具有弱透水性。渠道边坡开挖小于5m属于一般性开挖渠道，渠道内衬砌结构为混凝土或浆砌石等刚性结构，粗糙系数小，防渗性较好，但是抗拉能力弱，极易产生裂缝，随着冻胀次数的增加易发生破坏。

3 试验准备

3.1 相似比尺

土质边坡试验相似准则为：

(1)

(2)

式中，c—相似常数；A—导温系数；Λ—导热系数；T—温度；Q—单位体积水的潜热；Τ—时间；L—几何尺寸。

试验采用的各模型比尺见表1。

3.2 试验材料布置

基于上述相似准则对三种工况下的试验方案进行温度场和冻胀变形量进行试验研究。模型试验箱如图1所示，其中长为4.5m、高为1.5m、宽为3.0m，双向温度控制。模型箱有补水和加热装置，从下到上依次为：加热层、砂垫层、补水层、缸盖层等。

表1 试验模型比尺

图1 模型试验箱

衬砌结构的选择要依据本地破坏的原因，根据设计原则结合地质勘查结果选择雷诺护垫、混凝土铰接块、以及混凝土板与保温板组成复合型防护板三种形式进行试验研究。

混凝土铰接块的规格为：长×宽×高=0.45m×0.44m×0.15m，相互之间通过柔性钢绞线进行连接，使其成为柔性结构来适应渠道的不均匀变形。混凝土采用C30、二次配，控制养护的时间和质量。混凝土铰接块结构如图2所示，在渠道内的布置形式如图3所示。

图2 混凝土铰接块结构图

图3 混凝土铰接块在渠道内布置图

雷诺护垫是由六边形金属网构成石笼护垫，在护垫中填充石块可用于岸坡、路基边坡的防护，具有透水性好、缓解变形、降低扬压力、稳定性强等特点。本文选取的规格为：长×宽×高为6m×2m×0.23m，选取钢丝为镀铝合金钢丝，网格内部采用河卵石进行填充。雷诺护垫结构如图4所示，其在渠道内的布置形式如图5所示。

图4 雷诺护垫结构图

图5 雷诺护垫在渠道内布置图

混凝土板是常见的衬砌材料，具有良好的防渗功能，但是保温效果较差，将其与保温板将结合可以很好的实现防冻效果。本文选取0.1mEPS保温板和混凝土板相结合组成复合型防护结构，其在渠道内的布置形式如图6所示。

图6 复合型防护板在渠道内布置图

3.3 实验准备及步骤

根据当地温度变化，将气温变化过程分为快速降温过程、低温稳定阶段、升温阶段、高温稳定阶段，每年中低温稳定阶段持续的时间较长。

在进行试验前对模型箱、加热器、压缩机等每个部位进行检查及对应的试运行，并对所需要的材料进行准备。

(1)试验选取土料为在温室条件下自然风干，试验用土初始含水量使用多组进行平均确定，配水量根据初始含水量和土的质量来共同确定，将试验用土和对应的水搅拌均匀。

(2)根据试验相关要求使用碎石进行填充。

(3)仪器在使用前均进行校准，保证试验的精度需求。

4 结果分析

4.1 温度场分析

对混凝土铰接块、雷诺护垫和混凝土板与保温结合的复合型防护板三种衬砌作用下的土体冻害情况进行试验研究，得出三种工况下不同埋深土体的温度变化过程，如图7所示。

图7 渠坡处不同工况土体温度变化曲线

由图7可知，设置三种防护结构后渠道表面的温度均比正常环境温度要高，说明防护结构均取得了一定的效果，但是三者取得效果有所不同。从整体上分析，复合型防护板结构作用下土体温度普遍高于其他两种防护结构，对各层土体进行分析发现比混凝土铰接块和雷诺护垫平均高分别为1.87℃、0.65℃。这是因为复合型防护板采用保温板可以对下面的土体起到很好的保温作用。

对温度曲线研究发现在低温稳定期时，温度分界线在15cm和20cm之间，混凝土铰接块布置时在20cm时的土体部分处于零度以下、雷诺护垫布置时在15cm处的土体温度就已经出现了零度以下、复合型防护板20cm处的土体大部分还处在零度以上。

在降温阶段混凝土铰接块、雷诺护垫、复合型防护板三种防护结构的温度降低速率分别为6.75、7.55、6.65℃/h。雷诺护垫的温度降低最明显。这是因为雷诺护垫为开放式结构，里面为河卵石，孔隙率较大当温度降低时衬砌下面土体的温度高于外面大气温度形成对流，造成外界的冷空气不断的进入到衬砌中，从而导致雷诺护垫下土体温度下降的速度较快。

对三种防护衬砌下土体的冻结深度发展过程进行分析如图8所示。

图8 不同衬砌下土体冻结深度发展过程线

根据图8可知，三种防护装置下土体的冻结深度曲线变化趋势基本一致。雷诺护垫衬砌下土体冻结深度最大，为33.74cm，最大冻结深度出现的时间最晚，为205h。混凝土铰接块的冻结深度深度和时间均处于两者之间，最大冻结深度和经历时间分别为27.5cm、198h。复合型防护板的最大冻结深度最小，数值为24.1cm，历时最短，出现在168h时。虽然复合型防护板衬砌下土体的最大冻结深度出现的时间最短，但是在相同时间内其他衬砌结构的冻结深度更大。

4.2 冻胀融沉

对三种衬砌结构下的冻胀和融沉变化过程进行研究，不同工况渠道断面位移变化过程如图9所示。

图9 不同衬砌渠道断面位移变化曲线

根据图9可知，三种衬砌结构下土体均发生了冻胀和融沉过程，且变化过程基本同步，在数值上有所区别。混凝土铰接块、雷诺护垫、复合型防护板三种衬砌结构下的土体冻胀量分别为39.1、41.6、16.0mm；冻胀速度分别为0.10、0.16、0.06mm/h；残余变形分别为5.7、7.3、2.2mm。最大值均出现在雷诺护垫衬砌时，最小值均出现在复合型防护板衬砌时。

5 结论

本文对渠道采用混凝土铰接、雷诺护垫和混凝土板和保温板结合组成复合型防护板三种衬砌结构时的温度和冻胀过程进行分析，得出结论：

(1)混凝土铰接、雷诺护垫和混凝土板和保温板结合组成的复合型防护板三种衬砌结构下土体温度降低速率分别为6.75、7.55、6.65℃/h；复合型防护板衬砌结构下的土体温度最高。

(2)雷诺护垫衬砌作用时最大冻结深度最大，为33.74cm，复合型防护板衬砌作用时最大冻结深度最小，为24.1cm。

(3)冻胀量最大值出现在雷诺护垫衬砌作用时，为39.1cm，最小值出现在复合型防护板衬砌作用时，为16.0mm。

(4)从衬砌下土体温度、最大冻结深度、冻胀量和残余变形综合分析认为混凝土板和保温板结合组成的复合型防护板为最佳防护结构。