北疆某寒冷灌区U形渠道抗冻胀结构应用分析

蔡 峰

(新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830049)

新疆北疆地区半数以上渠道存在严重的冻害问题，因渠道冻胀破坏而产生的渗漏与冻胀又互为因果，导致渠道渗漏、冻胀、失稳等冻融破坏十分普遍，直接影响渠道的安全运行与效益发挥。因冻害导致渗漏损失约占总引水量的30%～60%，对水资源缺乏并依靠灌溉发展农业的旱寒区而言，渠道的冻害问题已成为寒冷灌区健康发展的瓶颈之一[1]。

渠道衬砌防渗是目前应用最广泛的节水措施，是提高农业灌溉用水利用率的关键技术。明渠衬砌防渗断面形式有梯形(包括弧形底梯形、弧形坡脚梯形)、矩形、U形等，在寒冷冻土地区，大中型输水渠道一般可选择弧形底梯形或弧形坡脚梯形断面来提高渠道的抗冻胀和输水性能；小型渠道可选择U形断面，不仅可提高渠道的抗冻胀结构性能，且水力特性好、占地少，因此，U形衬砌渠道是寒区末级小型防渗渠道首选抗冻胀结构断面。

近年来，对输水工程的冻胀研究不断深入，通过冻胀试验和数值模拟，探究了不同类型的冻土在寒冷环境下的冻胀特性。在U形渠道抗冻胀性能研究方面，通过数值模拟，分析U形渠道衬砌在冻胀作用下的变形破坏情况[2]；通过数值模拟分析衬砌受力的不均匀性、渠道冻结力和冻胀力变化的离散程度[3]，得出不同冻胀地质条件下衬砌结构的各因素受力情况的定量关系不同，土质冰冻情况对U形渠抗冻结构受力关系有直接影响。但在工程实践中，对不同冻土冰冻特性进行具体的量化研究[4]，来确定小型渠道工程抗冻胀形状结构参数[5]，在技术保证和质量、经济方面不具有实用性和操作性，因此对影响渠道结构受力的定量关系因素进行简化，对小型渠道抗冻胀结构设计更具有实用可操作性。

本文以某灌区末级渠系防渗改造工程为例，对U形混凝土衬砌渠道从水力学和抗冻胀结构性能方面进行结构分析计算，确定U形渠合理优化的断面形态5]，并对该U形渠主要冻胀因素及相应防治措施进行分析论述。

1 基本情况

北疆某大型灌区末级渠系原为梯形混凝土板衬砌渠道，经过多年运行冻胀破坏严重，完好率不到45%，渠道渗漏量大，农业灌溉保证率低，严重影响灌区灌溉。为提高灌区水利设施利用率和农业灌溉保证率，保障农业安全，依托国家财政支持的高标准农田建设项目对灌区灌溉渠系进行改造和提升，2012年起对灌区内数百公里的末级渠道进行了防渗抗冻改造建设。

根据地质资料，灌区内地层主要由粉质粘土组成，属冻胀土，须提高渠道的抗冻胀性能。通过论证，采用现浇混凝土U形断面对末级渠道进行防渗改造。由于末级渠系渠道数量多，为保证不同规格渠道的设计施工质量并提高工程建设效率降低成本，对不同规格的渠道断面采用标准化统一设计，确定不同的标准化断面结构尺寸。

根据当地地层结冰冻胀情况，结合渠道水力参数，分析计算不同规格U形渠道标准断面，保证断面结构抗冻胀性能及过流能力的最优合理性，同时在此基础上确定衬砌参数及垫层形式。

2 渠道冻胀破坏成因

衬砌渠道冰冻破坏一般分为：衬砌混凝土冻融循环破坏、渠水结冰对混凝土板的破坏、渠基土冻胀造成渠道衬砌的破坏。渠基的冻胀破坏是渠道衬砌破坏最普遍的原因，也是寒冷灌区渠道衬砌破坏最主要的因素，因此在灌区渠道抗冻胀结构设计中，主要对渠基的冻胀破坏进行分析并采取相应措施[7]，可取得较好的防治冻胀效果。

渠道冻胀产生的重要因素是渠基土内的水分迁移导致的渠基冻胀。在负温条件下，渠基土冻深范围内的水分结冰时，土壤中的水分不断向冻结锋面迁移并出现冻结膨胀现象。根据水分迁移机理，渠道渗漏的水分及地下毛细水由下部土体向冻结锋面聚集并重新分布，水分迁移在冻结面上形成冰夹层和冰楔，在紧密接触的土颗粒之间楔入冰层，土颗粒间的有效压力通过颗粒间的冰楔传递，冰夹层和冰楔不断加厚导致冻胀土层体积不断增大[8]。在此过程中由于受到混凝土衬砌的约束而产生冻胀力。渠道混凝土板在冻胀力的作用下被抬起，同时渠道衬砌会与渠基土冻结为一整体，在冻胀力、冻结力及重力的共同作用下，衬砌板上的各种法向和切向应力在混凝土板衬砌结构内产生不均匀的弯矩和拉应力，使混凝土结构发生断裂并导致渠道衬砌冻胀破坏[9]。

因此，整体式混凝土U形断面渠道抗冻胀措施主要从2个方面考虑：①优化混凝土U形断面结构，提高渠道衬砌自身抗冻胀破坏性能；②对渠基冻胀土进行换填，降低渠基土的冻胀性。

3 渠道冻胀结构力学分析

3.1 U形衬砌力学模型设定

渠道混凝土衬砌冻胀破坏的主要原因是冻胀力作用下衬砌结构的不均匀冻胀变形被渠床冻土冻结约束和衬砌之间相互约束，在此作用下衬砌结构产生的弯矩和拉应力超过混凝土衬砌结构抗拉抗弯能力时，衬砌结构就发生破坏。在实际工程中，渠道在结冰及基土冻结冻胀过程中的各种内力和外力变化是十分复杂的[10，11]。通过工程实践和相关科研实验研究，在混凝土渠道的冻胀力学分析中，对渠道的受力条件进行必要的简化和假设，建立符合实际的力学模型[12，13]，对一般U形渠道的抗冻胀结构分析是可靠有效的途径，可以满足渠道断面的结构验算设计需要。

根据U形渠道冻胀破坏特征、成因及破坏机理，整体式混凝土衬砌U形渠道的力学模型基于以下假设：冻胀力对称分布，两侧均以最不利的阴坡计算；衬砌混凝土为线弹性材料，可应用迭加原理；冻土的弹性模量远小于混凝土的弹性模量，只考虑土体对衬砌板施加冻胀力并提供被动冻结约束[14]；法向冻胀力在直板处呈线性分布，渠底最大渠顶最小，直板与弧板相接处与基土牢固冻结，该点的法向冻结力为最大值，并在圆弧段均匀分布；切向冻结力τ沿直板线性分布，在直板与弧板相接处取得最大值，在圆弧段随半圆心角α呈线性递减，在渠底处为零；U形混凝土衬砌结构属薄壳结构，其自重相对于冻胀力及约束反力很小，暂不考虑其影响[15]。

3.2 U形混凝土衬砌结构分析计算

3.2.1U形渠道最佳水力断面计算

输水最佳水力断面在一定的纵坡、糙率系数及流量条件下， 过水断面面积最小。U形渠道过水断面如图1所示，其面积S计算整理结果如下：

图1 U形渠道过水断面示意图

(1)

式中，R—弧底半径，m；2α—弧底圆心角,(°)；L—渠坡直线段长度,m。

在渠道某一半径情况下，渠道断面积由渠坡直线段和弧底圆心角决定，分别对L和α求导，得最佳水力断面参数：

(2)

(3)

解得：

(4)

令

(5)

3.2.2U形衬砌抗冻胀分析计算

根据基本假设，U形衬砌渠道法向冻胀力、切向冻结力分布如图2所示。

图2 法向冻胀力、切向冻结力分布图

渠道坡面在法向冻胀力、冻结力和切向冻结力共同作用下形成悬臂梁超静定结构，使结构产生拉应力。混凝土抗拉强度较低，渠道结构计算应避免构件受拉破坏，使拉应力最小。

由以上对渠道边坡受力情况分析，求得以下U形衬砌板的弯矩表达式：

(1)渠坡段

(6)

当x=L时，得：

(7)

式中，b—衬砌板厚度,m；τ—切向冻胀力，kN/m3；q—法向冻胀力，kN/m3；F—法向冻结力，kN。

U形混凝土衬砌结构属薄壳结构，切向冻胀力对混凝土坡面弯矩很小可忽略不计，故式(7)可以简化为:

(8)

(2)圆弧段

以弧底顶点为坐标原点，任意一点处的弯矩Mβ为:

Mβ=ML-MQ-Mτ-Mq(0≤β≤α)

(9)

(10)

(11)

Mq=qR[1-cos(α-β)]

(12)

式中，R—弧底圆弧半径,m；α—弧底圆心角的一半,(°)；β—圆弧段任意一点圆心角,(°)。

U形衬砌弯矩分布如图3所示，U形衬砌弧底顶点处负弯矩最大，即β=0时，有Mβ=Mmax负；而渠坡与圆弧连接处正弯矩最大。要使U形衬砌所受弯矩大小均匀，让最大正负弯矩绝对值相等。将β=0代入式(9)，再令Mmax负=Mmax正，整理得下式:

图3 U形衬砌弯矩分布示意图

(13)

对渠道衬砌整体而言， 竖向冻胀力与冻结力为大致平衡力，由∑Y=0 得：

(14)

将式(14)代入关系式(13)，等式两边同除以R2，并令L/R=m，同时将F=qL/3代入，整理关系式得:

(15)

4 U形渠断面结构设计

北疆某寒冷灌区U形渠系列断面设计参照以上计算结果，断面结构设计形式如下所述。

整体式U形混凝土渠道断面主要从优化混凝土U形衬砌结构和降低渠基土的冻胀性两个方面提高渠道抗冻胀性能。

4.1 U形渠断面几何规格确定

通过以上抗冻胀结构和水力断面分析计算，选择确定U形渠最优结构断面。以上计算避免了通过大量复杂的室内外试验确定冻土的有关物理力学指标，而是计算抗冻胀结构和水力学意义上的最佳断面，从冻胀力、切向冻结力的分布情况来选择U形渠最优结构断面，为断面设计提供理论依据。

北疆某灌区末级渠系防渗改建工程采用整体混凝土衬砌U形渠道，根据以上抗冻胀结构和水力计算结果确定U形渠合理标准断面系列规格如图4所示，U形渠道断面圆弧中心角取∠2α=136.4°，即∠α=68.2°。根据灌区情况共设置5种半径R、6种渠深H的标准断面，各种规格U形渠标准断面几何参数见表1。

表1 防渗改建U形渠道各规格断面参数表 单位：cm

图4 灌区系列U形渠断面规格图

该防渗改建工程在设计施工中采用以上规格的U形渠道标准断面，即满足渠道抗冻胀性能和过流能力要求特征，减少了设计中各渠道断面结构和最佳水力条件重复验算，在工程施工中也可成批购置固定规格的标准模具，简化了施工模具设备的加工制作，提高模具的重复利用率和施工效率，降低了施工成本。

4.2 防冻垫层形式

对渠基冻胀土进行换填，降低渠基土的冻胀性，是渠道防治冻胀的重要措施。渠基换填与优化混凝土断面衬砌抗冻胀结构措施相结合，才能更好地提高渠道的抗冻胀性能，防止寒区渠道的冻胀破坏。

该U形渠道设计根据当地冻深，对渠基冻胀土进行了置换，如图5所示。渠道在冬季结冰期基本停止运行，项目区冬季地下水位低于渠底，治理渠基土的冻胀重点考虑地下水通过毛细作用向渠基结冰层冻结峰面进行水分迁移而形成渠基的冻胀。垫层的类型应根据断面形式及冻土水分情况进行设置[16]，该U形渠防冻垫层只对渠底部分的渠基冻胀土进行置换，渠坡部分由于较地下水较远且有渠底换填层进行隔离，地下水难以对渠坡处渠基土进行水分迁移补充，故直接使用挖方土进行填筑，即可满足渠基的冻胀要求又便于施工节约成本。

图5 灌区U形渠断面结构图(单位：cm)

该大型灌区末级渠系防渗改建项目均采用此类结构型式的U形混凝土防渗渠道，抗冻胀效果显著，工程实施以来，经过改建的U形渠道再未发生明显的冻胀破坏现象，为灌区的农业发展提供良好的灌溉保障。

5 结语

以上整体式混凝土衬砌U形断面渠道抗冻胀结构的计算分析，优化确定寒区U形防渗渠断面的合理结构形状，同时结合现场渠基地层的冻胀水分迁移特征和地下水情况，采用合理的渠基换填方式来控制渠基土的冻胀，有效解决该寒冷灌区U形渠道的冻胀问题，具有很好的操作性。

该寒冷灌区末级渠系防渗改建工程，经过多年的运行和寒冬冻融周期的考验，渠道运行正常、断面结构完好，完全达到预期。渠道结构参数合理，符合寒区U形渠道冻胀规律，抵抗冻害的能力强且易于施工；渠道断面采用标准化配套尺寸，即保证了渠道断面设计的合理性，又简化了渠道的设计施工程序，降低了施工配套成本，提高了工程的建设效率和质量。对寒区U形渠道的设计建设具有一定的工程借鉴和参考价值。