周富強

(新疆瑞昶設(shè)計院有限公司，烏魯木齊 830000)

1 概 述

我國是一個農(nóng)業(yè)文明古國，農(nóng)田水利歷經(jīng)幾千年之久，留下了許多水利技術(shù)和至今仍發(fā)揮作用的水利工程設(shè)施。但是，受多種因素的影響，我國的農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)仍舊滯后于社會經(jīng)濟發(fā)展的要求，也成為制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。在面臨水資源極度短缺和水旱災(zāi)害頻繁發(fā)生的大環(huán)境下，提高水資源的利用效率，充分發(fā)揮有限水資源的作用就顯得尤為重要[1]。其中，渠道防滲是提高我國灌區(qū)用水效率的重要手段，從當(dāng)前的工程實踐來看，采取防滲措施可減少七成以上的渠道輸水滲漏損失[2]。同時，提高渠道的運行年限，對降低農(nóng)田水利工程成本，激發(fā)企業(yè)和農(nóng)戶投身農(nóng)田水利建設(shè)的積極性具有重要作用。在我國北方寒區(qū)，凍脹破壞是影響渠道滲漏和使用年限的重要因素，是制約灌區(qū)輸水工程綜合效益發(fā)揮的關(guān)鍵性技術(shù)難題，已經(jīng)受到水利工程界的廣泛關(guān)注[3]。目前，渠道防滲襯砌抗凍脹的理論研究和工程實踐領(lǐng)域已經(jīng)取得十分豐碩的成果，主要表現(xiàn)為使用不同形式的渠道襯砌防凍脹結(jié)構(gòu)形式，采取保溫板等特殊的襯砌結(jié)構(gòu)保溫措施，建立渠道襯砌結(jié)構(gòu)防凍脹數(shù)學(xué)模型等?？傮w來看，該領(lǐng)域的研究主要集中于襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而渠道幾何特征對凍脹效果影響的研究不多[4]。渠道基土和外界環(huán)境之間的水熱交換，也是渠道凍脹情況的主要影響因素，而梯形渠道的坡度必然會對基土和外界環(huán)境之間的水熱交換產(chǎn)生明顯影響?；诖耍敬窝芯恳阅彻鄥^(qū)的3#支渠為工程原型，利用現(xiàn)場試驗的方法展開坡度對季凍區(qū)梯形渠道抗凍脹性能的影響研究，以期為季凍區(qū)梯形輸水渠道設(shè)計建設(shè)提供技術(shù)性建議。

2 材料與方法

2.1 工程背景

本次研究的原型工程為某灌區(qū)3#支渠。該支渠主要負責(zé)下游高標(biāo)準農(nóng)田建設(shè)的供水任務(wù)，試驗田的主要農(nóng)作物為玉米，每年渠道輸水3～5次，沒有冬季輸水的任務(wù)要求。試驗段渠道的原始設(shè)計為梯形斷面，底寬為2.4 m，渠深1.2 m，渠坡坡度為0.5。試驗區(qū)屬于溫帶干旱地區(qū)，極端最高氣溫為36.9℃，極端最低氣溫為-24.5℃，晝夜溫差一般在18°左右，年均降水量月206 mm，多集中于6-9月份。冬季土壤的凍結(jié)深度約0.7 m，最大凍結(jié)深度為1.04 m，凍結(jié)時間為110 d左右。試驗區(qū)的土壤類型為普通灌淤土，表層分布有少量的鹽化灌淤土，經(jīng)實驗室測定，試驗區(qū)土壤容重約1.5 g/cm3，孔隙度約51.23%。

2.2 試驗方案

此次現(xiàn)場試驗的主要目的是探索渠道坡度對凍脹量的影響，并獲取其變化規(guī)律，以便對相關(guān)工程的設(shè)計和施工提供必要的技術(shù)支持。結(jié)合工程實際和當(dāng)前梯形斷面渠道建設(shè)的相關(guān)施工規(guī)范和要求，在保持研究渠段渠底寬2.4 m、渠深1.2 m兩個參數(shù)不變的情況下，設(shè)計0.3、0.5、0.7、0.9、1.1等5種不同的渠道坡度進行現(xiàn)場試驗，每種坡度渠道試驗段的長度為5 m，試驗段總長度為25 m。通過對不同試驗方案下的渠道各個部位的凍脹量進行監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理和對比分析，以獲取最佳坡度[5]。

2.3 試驗方法

根據(jù)試驗現(xiàn)場的實際情況，選擇3#支渠樁號Z3+150～Z3+175段為本次試驗的試驗渠段。該試驗渠段大致為東西走向，渠道坡降為1/2 000。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測，渠道凍結(jié)之前，渠底0～60 cm范圍內(nèi)的土壤含水率最大，陽坡的土壤含水率最小。在60 cm以下的凍結(jié)范圍內(nèi)，渠道陰坡的含水率最大，渠底的含水率最小。

鑒于凍脹量是渠道凍脹破壞最直接的表征，因此試驗研究中主要對試驗段渠道陰坡、陽坡和渠底的凍脹量進行監(jiān)測[6]。試驗過程中的凍脹量采用鋼絲法進行監(jiān)測，其具體過程如下：先鉆孔埋設(shè)鋼筋樁的保護管與鋼筋樁，保證保護管能夠與渠道的基土同步變形，而鋼筋樁不會隨著凍土變形；然后在鋼筋樁距離監(jiān)測表面一定高度進行刻槽，并拉設(shè)鋼絲；然后在監(jiān)測表面設(shè)定監(jiān)測點，進行凍脹量的監(jiān)測，并記錄好數(shù)據(jù)[7]。根據(jù)相關(guān)研究成果，渠道坡面凍脹量最大，破壞最嚴重的部位位于距離渠底1/3渠深處，因此研究中以該部位的監(jiān)測數(shù)據(jù)衡量渠道坡面的凍脹變化特征；渠底凍脹量最大的部位位于渠底中央，因此將渠底凍脹量的監(jiān)測點設(shè)定在渠底中部[8]。試驗段的襯砌施工完工于2020年11月25日，并于當(dāng)日開展凍脹量監(jiān)測，歷時36 d，至2021年12月10日結(jié)束。試驗期間，每3 d測量一次凍脹量。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 陽 坡

利用上節(jié)提出的方法，對不同試驗方案下渠道陽坡監(jiān)測點的凍脹量進行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得不同方案下陽坡凍脹量隨時間的變化曲線，結(jié)果見圖1。由圖1可知，不同方案下渠道陽坡的凍脹量變化特征基本一致，也就是隨著時間的推移凍脹量迅速增大之后逐漸趨于穩(wěn)定。由此可見，在凍脹發(fā)生的前20 d凍脹對襯砌的作用比較明顯，是強化工程防護的關(guān)鍵時期。從不同渠道坡度的試驗結(jié)果來看，在相同試驗時間不同坡度渠道的凍脹量存在比較明顯的差異，且凍脹量隨著坡度的減小呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特征，當(dāng)坡度為0.7時的凍脹量最小，但是坡度0.5和坡度0.7的試驗結(jié)果極為接近。因此，從陽坡的凍脹量試驗結(jié)果來看，坡度應(yīng)該以0.5～0.7為宜?？紤]到坡度越小，渠道的占地面積越小，且工程的成本也越低，因此在實際工程中推薦采用0.5的渠道坡度。

圖1 陽坡凍脹量變化曲線

3.2 陰 坡

利用上節(jié)提出的方法，對不同試驗方案下渠道陰坡監(jiān)測點的凍脹量進行監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得不同方案下陰坡凍脹量隨時間的變化曲線，結(jié)果見圖2。由圖2可知，在相同的條件下渠道陰坡的凍脹量大于陽坡的凍脹量。原因是陽坡可以接受更多的太陽輻射能，因此基土溫度整體偏高，因此凍脹量也相對較小。從凍脹量的變化規(guī)律來看，陰坡和陽坡基本相同，也就是隨著凍脹時間的延長，凍脹量迅速增加最終趨于平穩(wěn)。從不同坡度試驗方案的結(jié)果對比來看，當(dāng)坡度為0.7時的凍脹量最小，但是坡度0.5和坡度0.7的計算結(jié)果比較接近。

圖2 陰坡凍脹量變化曲線

3.3 渠 底

利用上節(jié)提出的方法，對不同試驗方案下渠道渠底監(jiān)測點的凍脹量進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制出不同方案下渠底凍脹量隨時間的變化曲線，結(jié)果見圖3。由圖3可知，不同方案渠道渠底的凍脹量也隨著凍脹時間的推移而迅速增加并逐漸趨于平穩(wěn)。與陽坡和陰坡不同的是，不同試驗方案下渠道底部的凍脹量比較接近，說明渠道坡度對渠底的凍脹量影響并不明顯。

圖3 渠底凍脹量變化曲線

4 結(jié) 論

本次研究以具體工程為依托，利用現(xiàn)場試驗的方法研究了坡度對梯形渠道凍脹量的影響。試驗結(jié)果顯示，梯形渠道的坡度對渠底凍脹量的影響并不明顯，對渠道陽坡和陰坡的凍脹量存在顯著影響。隨著坡度的減小，陽坡和陰坡的凍脹量均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點，且渠道坡度為0.7時的凍脹量最小。鑒于坡度為0.5時的凍脹量與坡度為0.7時比較接近，而渠道的坡度越小，工程的經(jīng)濟性越強，因此在具體工程中建議采用0.5的坡度。當(dāng)然，渠道工程設(shè)計是一項復(fù)雜的問題，受到多種因素的影響，需要進行綜合分析，最終確定最佳的設(shè)計方案。