姜國輝，田金玉，王思文，李玉清

（沈陽農(nóng)業(yè)大學水利學院，沈陽110161）

渠道凍脹破壞是農(nóng)田灌溉水利用率低的原因之一，解決渠道凍脹破壞對提高農(nóng)田水利用效率有著重要意義。土體經(jīng)過多次凍融循環(huán)之后，土體容重、孔隙度、滲透系數(shù)均有不同程度的變化[1]，導致每年渠基土凍脹程度不盡相同，混凝土襯砌板經(jīng)過反復不均勻凍脹、沉降之后，產(chǎn)生裂縫、抬起等破壞。GRAHAMJ等[2]針對渠道凍脹破壞問題進行了渠基土試驗，指出渠基土經(jīng)過一個凍融循環(huán)周期后，土體原有結構有很大程度的破壞。持續(xù)負溫、充足孔隙水是凍脹敏感性土體發(fā)生凍脹破壞必不可少的條件[3]。目前，渠道防凍脹措施主要針對水分和溫度進行控制，換填法是當前渠道防凍脹有效措施之一[4]。換填法是將渠基原有的凍脹敏感性土，部分或全部替換成弱凍脹性或無凍脹性土，減小渠基土凍結厚度，降低渠基土體內(nèi)部孔隙水含量和毛管水上升高度，進而有效地削減渠基土凍脹量，達到削減渠道襯砌板上凍脹應力，降低渠道凍脹破壞的目的。換填深度因土壤類型、凍結深度、地下水埋深等因素不盡相同[5]。近年來，許多學者已經(jīng)對換填法進行了大量的研究。申利剛等[6]通過有限元分析指出換填粉細沙換填率達到90%以上時，可基本消除渠道凍脹量。徐峰等[7]通過ANSYS軟件對渠基土換填進行數(shù)值模擬得出換填后的渠道凍脹量較無換填明顯降低。王文杰等[8]通過對渠道原型凍脹量進行有限元分析指出不同換填深度時渠道襯砌板上法向凍脹量較無換填時整體減小并且分布更加均勻。魏鵬[9]對瑪納斯河紅山嘴四級電站引水渠進行換填砂礫土指出換填砂礫土對降低渠道凍脹有著明顯效果。張春洋[10]通過碎石填料試驗指出渠道換填技術是通過碎石、砂礫料等非凍脹性材料將凍深內(nèi)土體進行換填，以使凍深內(nèi)沒有凍脹性土。目前大部分學者都是應用有限元軟件對渠道換填進行數(shù)值模擬分析，通過室內(nèi)試驗對渠基土換填進行細致的研究較少[11-14]。LI等[15]選用水熱耦合數(shù)值模型分析對比傳統(tǒng)渠道和采用換填措施新型渠道的溫度特性，并通過原位試驗驗證了模型的準確性。因此，本研究選取常用的換填材料砂礫料、粉細沙對渾浦灌區(qū)土體進行室內(nèi)換填試驗研究，分析不同換填材料、不同換填深度土體的凍脹特性，同時也從試驗的角度尋找換填材料的最佳厚度。

1 材料與方法

1.1 材料及設備

土樣取自于沈陽市渾蒲灌區(qū)，屬季節(jié)性凍土地區(qū)。凍結前期，在渾蒲灌區(qū)遼中段混凝土襯砌渠道，由上至下開挖120cm深度的土層，每層40cm，對土樣依次進行密度、含水率、土粒比重、顆粒級配、液塑限等指標試驗，其基本參數(shù)為：密度1.84g·cm-3、含水率30%、比重2.71、液限含水率51.8%、塑限含水率25.3%。根據(jù)《土的工程分類標準》（GB50145-2007）定義該土樣為高液限粉質粘土CH，屬強凍脹性土質。

由于渾浦灌區(qū)地下水位低，故做模擬封閉系統(tǒng)下室內(nèi)單向凍結試驗，試驗裝置由凍融循環(huán)機、12cm圓柱桶、位移變化表、溫度傳感器、保溫裝置5部分組成[16]。

渾浦灌區(qū)地處于渾河的中下游，沈陽市的西南部。冬季寒冷期長達4個月，最冷月份在次年1月，極度低溫為-35℃，近10年月平均最低溫度-20℃[17]。試驗冷端溫度選取近10年渾浦灌區(qū)月平均最低溫度-20℃，歷時為70d，根據(jù)相似比準則[18]，計算出時間比尺為1∶100，確定每組試驗凍結歷時為16.8h，故試驗降溫速率選為-1.2℃·h-1。試驗桶側面和底部采用保溫板做保溫處理，在試驗桶上側安放位移變化表對試驗土樣位移凍脹量進行統(tǒng)計，在試驗桶一側每間隔2cm安置溫度傳感器，實時監(jiān)測土樣內(nèi)部溫度變化情況。

圖1 試驗裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of test device

1.2 方法

換填法是將渠道原有強凍脹性土體用弱凍脹性土體或無凍脹性土體進行替換，由于砂礫料與粉細沙為常用的換填材料，故本研究選擇其作為換填材料；根據(jù)《渠道防滲工程技術規(guī)范》（GB/T50600－2010），渠底換填比為70%～80%，坡板上換填比為50%～70%，可知理論換填深度60～96mm，為了充分研究不同換填深度對渠道凍脹量的影響，換填深度選擇從30mm開始每20mm為一梯度，本研究對土樣分別進行換填0，30，50，70，90，110mm砂礫料（粉細沙）室內(nèi)單向凍結試驗，共11組。以換填30mm砂礫料為例，土樣下方放置90mm渠基土，上方放置30mm砂礫料，記SL1。其他組別相同，僅改變換填材料和深度。具體試驗設計如表1。

表1 試驗設計Table 1 Test design

試驗過程為根據(jù)室外實測土的密度、含水率等參數(shù)制備土樣，完成后蓋上保鮮膜放置8h，使土樣含水率更均勻，將制備好的土樣和砂礫料（粉細沙）分層填筑到試驗桶內(nèi)，將試樣放入凍融循環(huán)機中，調節(jié)溫度至15℃恒溫養(yǎng)護，當試樣內(nèi)各溫度傳感器溫度達到15℃時開始進行試驗，試驗以-1.2℃·h-1為降溫速率從0℃起將凍融循環(huán)機內(nèi)部溫度降至-20℃，歷時16.8h。試驗過程中，實時監(jiān)測土樣凍脹變形量及內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)。各個組別試驗更換換填材料及換填深度，試驗步驟相同。

2 結果與分析

2.1 不同換填工況土樣內(nèi)部溫度分析

由圖2可知，各試驗組別曲線均呈現(xiàn)“S”型分布，表現(xiàn)出試驗初期，由于外界溫度迅速降低，試樣土體內(nèi)溫度隨著大幅度降低，當土體各點位趨近于凍結鋒面時，土體溫度下降趨勢趨近于0，隨著凍融循環(huán)機內(nèi)溫度繼續(xù)降低，試樣土體內(nèi)溫度降溫梯度開始增加，最終趨近于凍融循環(huán)機內(nèi)降溫梯度-1.2℃·h-1。以SL1組別為例，觀察不同高度土體內(nèi)部溫度場分布，同一時間，從上至下，土體內(nèi)部溫度先后降低，且降溫速率下層土體滯后于上層土體。在試驗土體形成凍結鋒面之前，由上至下凍結速率呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，在各層土體達到凍結鋒面時，凍結速率接近。對比換填與無換填組別溫度場分布規(guī)律，可以得出2種換填材料均表現(xiàn)出加速土樣內(nèi)部溫度熱傳導作用，對于換填組別未做換填處理部分土體與無換填組別試驗對應部分在相同凍結歷時下，土體內(nèi)部溫度下降速率前者要快于后者；當凍結鋒面經(jīng)過換填部分，達到渠基土時，土體內(nèi)部溫度呈現(xiàn)迅速下降趨勢。對比2種換填材料對溫度場的影響可知，雖然2種換填材料都表現(xiàn)出加速土樣溫度下降作用，但由于砂礫料的孔隙率的不均勻系數(shù)要大于粉細沙，故表現(xiàn)出的加速凍結鋒面遷移速率的效果更明顯。粉細沙的物理性質與砂礫料對比，粉細沙更相近于原有土樣，故粉細沙達凍結鋒面持續(xù)時間長于砂礫料到達凍結鋒面持續(xù)時間。

圖2 不同換填情況土樣內(nèi)部溫度隨時間關系曲線Figure 2 Curve of internal temperature of soil samples with different filling conditions over time

由表2可知，在初始條件和外界降溫速率相同的情況下，換填后的土樣起始凍結時間均快于無換填情況下土體起始凍結時間，砂礫料、粉細砂分別快2h和1.3h；由于砂礫料和粉細沙具有保溫效果，換填后換填材料下部渠道原有凍脹性土體起始凍結時間要慢于無換填組別。以WH和SL2為例，WH組別渠道原有土體起始凍結時間為7h，SL2組別渠道土體起始凍結時間約為8h，延緩了渠道原有土體的起始凍結時間，給下部殘留凍脹土體滯留一定的排水緩沖時間，減小土體空隙中水分含量，降低土體凍脹強度。

表2 試驗土柱各層土體起始凍結時間Table 2 Initial freezing time of soil in each layer of the test soil column h

在相同凍結歷時情況下，換填后渠道原有土體凍結歷時縮短，凍脹敏感性土體凍結厚度減小，進而降低凍脹量，這也是換填法可以降低渠道凍脹破壞的原因之一。通過對比SL1～FX5的凍結時間，以SL3和FX3為例，凍結時間分別縮減45.5%和22.9%，砂礫料較粉細沙對凍結時間的縮減效果要明顯，凍結速度要更快些。這是因為砂礫料的孔隙比、導熱系數(shù)、不均勻系數(shù)均大于粉細沙和粉質黏土的。

2.2 不同換填工況凍脹量變化規(guī)律

由表3、圖3、圖4可知，由于將渠道中凍脹敏感性土體換成弱凍脹性土體，土樣凍脹量較無換填時均呈現(xiàn)明顯降低。由圖3可知，凍脹量與換填深度呈反比關系，即隨著換填深度增加土體凍脹變形量減?。挥蓤D4可知，凍脹量削減率與換填深度呈正比關系。當換填深度為30cm時，換填砂礫料或粉細沙的試驗土樣凍脹量分別降低30.59%和25.29%；但隨著換填深度的增加，2種換填材料對土樣凍脹量的削減效果均表現(xiàn)出逐漸減小的趨勢；比較2種換填材料可知，砂礫料相對于粉細沙，換填后對凍脹量削減效果稍好于后者，這是由于砂礫料的孔隙率要大于粉細沙，粉細沙本身物理性質更接近渠基土，二者對渠基土凍脹量的削減效果砂礫料要比粉細沙好很多；飽和狀態(tài)下的粉細沙自身也會產(chǎn)生一定的凍脹量，但凍脹率一般小于1%，這也是換填砂礫料對凍脹量的削減效果好于粉細沙的原因之一。觀察兩條曲線可知，2種換填材料凍脹量變化率和凍脹量削減率變化率基本保持一致。

圖3 凍脹量與換填深度關系曲線Figure 3 Relation curve between frost heave and filling depth

圖4 凍脹量削減率與換填深度關系曲線Figure 4 Relation curve between frost heave reduction rate and filling depth

表3 不同情況下土體凍脹特性Table 3 Freezing heave characteristics of soil under different conditions

由表4和表5可知，兩個擬合回歸方程R2分別為0.9959和0.9966，F(xiàn)值均遠小于F0.05，證明針對本研究2種換填材料凍結試驗擬合的曲線較好，可以作為2種材料的土體凍脹預報方程。根據(jù)兩個回歸方程計算出滿足凍脹標準的所需換填深度分別為81.625mm和111.326mm。

表4 凍脹量與換填深度擬合曲線方程Table 4 The curve equation of frost heave and filling depth is fitted

表5 方差分析結果Table 5 Variance analysis result

2.3 不同換填情況對土樣凍結深度、渠基土凍結厚度影響

2.3.1 不同換填情況對土樣凍結深度影響 由圖5可知，2種換填材料在相同凍結歷時下，均會不同程度地增加渠道凍結深度，由于粉細沙與渠基土物理性質較砂礫料相比更為接近，故增加凍深效果沒有砂礫料明顯；以SL3和FX3為例，在2種材料換填深度均為70mm時，凍深分別為16.7457cm和15.2001cm。隨著換填深度的增加，凍深增加變化量逐漸趨于平穩(wěn)。觀察凍深隨換填深度關系曲線得出：換填砂礫料與粉細砂達到穩(wěn)定凍深時臨界換填深度分別為13.82cm和11.23cm，穩(wěn)定凍深分別為18.69cm和15.93cm。

圖5 凍結深度與換填深度關系曲線圖Figure 5 Curve of relation between freezing depth and filling depth

2.3.2 不同換填情況對渠基土凍結厚度影響 渠道凍結深度受換填材料與換填深度影響，進而影響渠道凍深內(nèi)渠道原有渠基土凍結厚度。圖6為相同凍結歷時，換填前后渠基土凍結深度、凍結厚度示意圖，h0為無換填組別凍結深度，h2為換填組別渠基土凍結厚度，h1+h2為換填組凍結深度。相同凍結時間下，無換填組別渠基土凍結深度要小于換填組別，即h1+h2＞h0；但換填組別渠基土凍結厚度要小于無換填組，即h2＜h0。為研究不同換填情況對渠基土凍結厚度的影響規(guī)律，對相同凍結歷時下，不同換填情況渠基土的凍結厚度進行擬合分析，求得只考慮換填材料對渠基土凍結厚度影響時不同換填情況下渠基土凍脹量，得出表6。由表6可知，換填后試驗組別在對照組別渠基土凍深達到12cm凍深時對應相同凍結歷時條件下，渠基土凍結厚度均小于無換填組別，隨著換填深度的增加，渠基土凍結厚度減小趨勢逐漸增強，進而降低渠道凍脹量，這也是換填法降低渠道凍脹量，減小渠道凍脹破壞的原因之一。單一從換填后2種換填材料對凍脹性土體厚度方面考慮，換填粉細沙后凍脹性土體厚度要小于砂礫料，削減凍脹量效果好于砂礫料。但由于砂礫料對凍脹量的削減效果好于粉細沙，故2種換填材料對渠基土凍結厚度影響較凍脹量削減對削弱渠道凍脹破壞的作用較小。

圖6 換填前后渠基土凍結厚度示意圖Figure 6 Schematic diagram of frozen thickness of channel foundation soil before and after refill

表6 不同換填情況渠基土凍結厚度Table 6 Freezing thickness of channel foundation soil under different filling conditions

2.4 換填法與保溫法相結合對渠道凍脹的影響

根據(jù)渠道抗凍脹設計規(guī)范要求，渠道中使用的聚苯乙烯保溫板厚度一般為凍深1/10～1/15，渾蒲灌區(qū)凍深為1.2m，理論上渾蒲灌區(qū)渠道保溫板合理厚度約為8～12cm，但本研究探討的是換填法與保溫法相結合對渠道凍脹的影響，故研究聚苯乙烯保溫板厚度選取4cm。對鋪設4cm保溫板與未鋪設保溫板的換填30cm砂礫料與粉細沙模型進行凍脹量模擬分析（圖7），由圖7可知，2種換填材料在鋪設4cm保溫板后，渠道的凍脹量均有減小，對于鋪設4cm保溫板，2種換填材料在在換填深度為30cm時，渠道混凝土襯砌板上凍脹量均滿足設計規(guī)范要求。故適當?shù)匿佋O保溫板可以有效的降低渠基土換填深度。

3 討論與結論

對不同情況下土樣內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得出，各組別溫度時間關系曲線均呈“S”型分布。表現(xiàn)為凍結試驗第一階段，試驗土柱內(nèi)各點溫度均呈快速下降的趨勢，第二階段隨著試樣土柱內(nèi)各點逐漸達到凍結鋒面，溫度變化逐漸變緩趨近于0，第三階段凍結鋒面經(jīng)過之后，溫度下降趨勢逐漸增大，最終趨近于凍融循環(huán)機降溫速率。與王思文[19]對渠基土單向凍結試驗土柱內(nèi)部溫度場分布保持一致。試驗土柱是重塑土，盡管仍具有一定的結構性，但由于土樣較小，故不能清晰反映出實際室外渠基土凍結過程不同深度溫度變化情況。試驗土柱高度相同時，2種換填材料均表現(xiàn)出加快土體起始凍結時間、縮短土體凍結歷時的效果。砂礫料和粉細沙均可改善渠道的凍脹破壞，在相同換填深度時，前者削減凍脹量的程度要大于后者；隨著換填深度的增加，2者凍脹量削減率逐漸趨于平緩,這與趙碧雄等[20]通過風積沙換填重粉質黏土所得規(guī)律保持一致，但其主要研究渠基土在同一換填材料不同換填高度對渠道凍脹量的影響，而本研究在探究不同換填深度基礎上對比分析2種換填材料對減小渠道凍脹量及其機理進行研究。由于試驗凍融循環(huán)機容量與試驗桶最大高度限制，本試驗未能通過試驗實測出土樣在2種換填材料后實際凍深情況，故本研究通過溫度數(shù)據(jù)與土樣各時間段凍結情況模擬出不同換填情況實際凍深情況。朱強等[21]對換填法減小渠道凍脹量降低渠道凍脹破壞理論進行闡述，指出換填砂礫料與粉細沙均會推遲渠道原有土體起始凍結時間與凍結歷時，給土體滯留一定的排水緩沖時間，減小土體中孔隙水，降低凍脹量，與本研究2種換填材料后渠基土原有凍脹性土體起始凍結時間均會滯后相一致。比較砂礫料與粉細沙對渠道凍脹量削減效果的影響因素：最主要原因是粉細沙的物理性質與渠基土更為相近,砂礫料孔隙率較大，對渠基土凍脹量削減效果要好于粉細沙，且飽和狀態(tài)下的粉細沙也會產(chǎn)生一定的凍脹量，對于相同高度土體的砂礫料組別，進一步加大了土體的凍脹量，故砂礫料對凍脹量的削減效果更為明顯。單一從換填后2種換填材料對凍脹性土體厚度方面考慮，換填粉細沙后凍脹性土體厚度要小于砂礫料，削減凍脹量效果好于砂礫料。但由于砂礫料對凍脹量的削減效果好于粉細沙，故2種換填材料對渠基土凍結厚度影響較凍脹量削減對削弱渠道凍脹破壞的作用較小。因此，在本試驗條件基礎上，換填砂礫料削減渠道凍脹量，降低渠道凍脹破壞的效果要好于粉細沙，其最優(yōu)換填深度前者要小于后者。

對比2種換填材料，相同換填深度砂礫料降低凍脹量效果好于粉細沙；通過對2種換填材料凍脹量與換填深度曲線擬合，得出針對渾蒲灌區(qū)遼中段，2種換填材料的最佳換填深度為81.625mm和111.326mm，但由于本試驗未考慮渠道混凝土襯砌板對渠基土凍脹量的抑制作用與造價情況，實際工程一般選取50cm為最合適換填深度。通過對2種換填材料換填后渠基土凍深分析得出深度均為70mm時，凍深分別為16.7457cm和15.2001cm。在渠道鋪設4cm保溫板后，2種換填材料在換填深度為30cm時均可使渠道襯砌板上凍脹量達到設計規(guī)范標準。