冻胀对混合衬砌型梯形渠道的影响.pdf
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1、第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Technology and EconomyVol.29 No.11November,2023收稿日期 2023-05-19作者简介 陈 凯(1991-),男,陕西咸阳人,工程师,研究方向为水利水电工程建设与管理.doi:10.3969/j.issn.1006-7175.2023.11.008冻胀对混合衬砌型梯形渠道的影响陈 凯(新疆昌源水务集团有限公司,乌鲁木齐 830000)摘 要为了探究冻胀堆砌结构的影响规律,以梯形截面为例,采用室内试验方法,对东港市土壤改良试点的灌溉
2、与排水工程冻土区刚柔混合衬砌梯形渠道的冻胀机理进行系统分析。结果表明,刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温变化趋势与气温变化趋势相同。即当气温下降或上升时,刚柔混合衬砌渠道各部位的最低地温也随之下降或上升。随着最低地温的升高,冻胀力逐渐减小,最后稳定在一个负值,这是由于最低温度升高导致渠基土壤融化下沉所致。深度 60 cm 处是土壤水分最高的地方,也是土壤冻结锋面所在,这使得渠底和阴坡受到较大的冻胀作用。复合土工膜在经历一次冻融循环后的性能损失较小,不会对工程的安全造成影响。关键词梯形渠道;混合型衬砌;气温变化中图分类号 TV91 文献标识码 A 文章编号 1006-7175(2023)11-00
3、34-06The Effect of Frost Heaving on the Mixed Lining Trapezoidal ChannelCHEN Kai(Xinjiang Changyuan Water Affairs Group Co.Ltd.,Urumqi 830000,China)Abstract:In order to explore the influence law of seasonal frozen soil on the lining structure,this paper takes the trapezoidal section as an example,an
4、d uses the indoor test method to systematically analyze the frost heaving mechanism of the rigid-flexible mixed lining trapezoidal channel in the irrigation and drainage engineering frozen soil area of Donggang city soil improvement pilot project.The research results show that the lowest ground temp
5、erature change trend of each part of the rigid-flexible mixed lining channel is the same as the temperature change trend.That is,when the temperature drops or rises,the lowest ground temperature of each part of the rigid-flexible mixed lining channel also drops or rises accordingly.As the lowest gro
6、und temperature rises,the frost heaving force gradually decreases and finally stabilizes at a negative value,which is caused by the melting and sinking of the channel base soil due to the rise of the lowest temperature.The depth of 60cm is where the soil moisture is highest,and it is also where the
7、soil freezing front is located,which makes the bottom and shady slope of the channel subject to greater frost heaving.The performance loss of composite geomembrane after one freeze-thaw cycle is small,which will not affect the safety of the project.Key words:trapezoidal channel;mixed lining;temperat
8、ure change43陈 凯:冻胀对混合衬砌型梯形渠道的影响第 11 期0 引 言输水渠道是灌溉工程的重要组成部分,渠道的安全运行直接关系到灌区的农业生产和社会经济发展。在寒冷地区,输水渠道面临着严重的冻胀破坏问题,给灌区带来巨大的经济损失和生态风险1。为防止输水渠道的冻胀破坏,常用的方法是采用衬砌结构来保护渠道。刚性衬砌具有强度高、耐久性好、维护费用低等优点,但存在着施工难度大、成本高、易开裂等缺点2;柔性衬砌具有施工方便、成本低、适应性强等优点,但存在着强度低、易老化、易损坏等缺点3。为此,研究人员提出了许多解决方案,其中包括采用刚柔混合衬砌结构4。该结构采用刚性和柔性两种材料的组合,既
9、能够保证渠道的稳定性,又能够缓解冻胀对渠道的影响5-6。刚柔混合衬砌结构在季节冻土区的冻胀机理尚不清楚,为了探明这些问题,本文以梯形截面为例,采用室内试验方法,对东港市土壤改良试点的灌溉与排水工程冻土区刚柔混合衬砌梯形渠道的冻胀机理进行系统分析,为渠道工程的设计和施工提供参考。1 工程概况东港市土壤改良试点的灌溉与排水工程位于坡度为612的丘陵地区,年径流量105 000104m3。灌溉与排水工程的主要内容是排涝沟的衬砌和配套设施的建设。排涝沟的衬砌方式有4 种,分别为预制混凝土梯形槽、现浇混凝土梯形槽、现浇混凝土梯形沟和浆砌石挡土墙,总长度28 929m。配套设施包括路涵、农道桥、过水路面和
10、预制混凝土管,总长度 1 593m。2 试验准备本文基于土渠基础的稳定性和已有的研究成果,采用等厚板模型,对混凝土衬砌板进行设计。混凝土衬砌板的厚度定为12cm,采用 C20 级混凝土,其弹性模量 2.3104 MPa。为了防止水渗透,渠道坡板和底板下方铺设复合土工膜,同时采用现浇混凝土作为护坡材料。渠道边坡经过蛙式打夯机的夯实处理,确保干密度不低于1.6g/cm3,土壤含水率在 16%23%之间。渠道设计流量 21m3/s,最大流量 26 m3/s。本文对该渠道的结构性能进行分析和评价。为了评估复合衬砌渠道在实际工作环境下的冻胀行为,试验段在进行冻胀试验之前,按照设计规范进行水位试验。渠道两
11、侧的百叶箱内安装有温度计、最高温度计和最低温度计,用于每日记录气温的变化情况。为了研究混合衬砌渠道的土壤温度和冻土层厚度的变化,选择两个长度均为 300cm 的试验段。在渠道的左岸、渠底和右岸各布置 3 个测温点,分别用 A、B、C 和 E、F、G 表示,见图1。此外,在渠底安装一个测温点 D。每个测温点均采用WS-4 型多层次遥感土壤温度计,可同时测量不同深度的土壤温度。每天收集土壤温度数据,并计算每个测温点的日最高和最低土壤温度。图 1 梯形渠道断面测点布置53第 29 卷第 11 期2023 年 11 月水利科技与经济Water Conservancy Science and Techn
12、ology and EconomyVol.29 No.11November,2023 为了探究渠道冻土的变化规律,在地温测试段的基础上,增设冻深测试段,共有 7 个测试点。使用 LQX-DT 型冻土器作为冻深测量仪器,将其垂直埋入土壤中,与地面齐平。在冬季冻结过程中,每天早 8 时记录冻深数据,并根据这些数据绘制不同测试点的冻深变化曲线。同时,为了分析渠道的冻胀应力变化规律,设计一个长 400cm的冻胀应力测试段,其测试点的位置和数量与冻深测试段一致。使用应变式荷重传感器来测量冻胀应力,每天对每个测试点进行一次测量,每个测量面积为 4.0m2。通过上述方法,可以探究渠道在冻融循环中的应力演变特
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