時(shí)間：2011-10-31來源：駱蘭
摘要：灌區(qū)提高渠系水利用率是農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)。新疆地處嚴(yán)寒地區(qū)，混凝土渠道在冬、春之交存在著嚴(yán)重的凍漲破壞。本文在揭示新疆混凝土渠道凍漲破壞機(jī)理——認(rèn)為邊坡板上切向凍漲力是導(dǎo)致渠道凍漲破壞的主導(dǎo)因素的基礎(chǔ)上，提出一系列的防治方法，旨在為寒區(qū)灌區(qū)渠道維護(hù)提供參考。
關(guān)鍵詞：混凝土渠道；凍漲破壞機(jī)理；邊坡板上切向凍漲力；防治；新疆瑪納斯河灌區(qū)
引言
隨著灌區(qū)的續(xù)改建工程的深入實(shí)施，我國大部分灌區(qū)的渠道實(shí)現(xiàn)了混凝土防滲處理，渠系水利用系數(shù)逐年提高，多數(shù)灌區(qū)受季節(jié)氣溫變化影響，存在著嚴(yán)重的凍漲破壞現(xiàn)象，新疆瑪納斯河灌區(qū)由于水資源供需矛盾突出，亟須提高渠道輸水效率，防凍漲破壞是防滲渠發(fā)揮防滲作用的重要保證。因此，灌區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)、提高渠系水利用率，就必須重視渠道凍漲破壞問題。
一、凍漲破壞原理
混凝土渠道受凍漲時(shí)，凍漲力作用于襯砌板上，襯砌板則要求變形，當(dāng)變形受到約束得不到滿足時(shí)，就引起應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土的強(qiáng)度時(shí)，就產(chǎn)生破壞，故襯砌板的凍漲破壞與約束的強(qiáng)弱有關(guān)。結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形變化時(shí)，不同結(jié)構(gòu)之間和結(jié)構(gòu)內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間都會產(chǎn)生約束，前者為“外約束”，后者為“內(nèi)約束”。外約束又分為“自由體”、“全約束”和“彈性約束”。以下是對它們的定義：
（一）自由體結(jié)構(gòu)(或構(gòu)件)，結(jié)構(gòu)的變形等于結(jié)構(gòu)的自由變形，無約束變形，不產(chǎn)生應(yīng)力。變形自由體，即變形不受其他結(jié)構(gòu)任何約束的最大，應(yīng)力為零。
（二）全約束
即結(jié)構(gòu)的變形全部受到其他結(jié)構(gòu)的約束，使變形結(jié)構(gòu)無任何變形的可能，即應(yīng)力最大，變形為零。
（三）彈性約束
彈性約束是介于上述兩種約束狀態(tài)之間的一種約束。結(jié)構(gòu)的變形受到部分約束，產(chǎn)生部分變形，變形結(jié)構(gòu)和約束結(jié)構(gòu)皆為彈性體，二者之間的相互約束稱為：“彈性約束”。既有變形，又有應(yīng)力。
混凝土板和其下凍結(jié)土層牢牢凍結(jié)在一起。二者之間的約束屬于外部約束。為了說明問題，按以下兩種情況進(jìn)行討論。
二、按法向自由體板應(yīng)力分析
按法向自由體板應(yīng)力分析是把一塊不大的混凝土板水平地?cái)R置在含水土層上，當(dāng)土層發(fā)生凍漲時(shí)，混凝土板和土層先相互凍結(jié)，含水土層在凍結(jié)過程中，自然要產(chǎn)生向上的凍結(jié)變形，此變形量稱為凍漲量，設(shè)其凍漲為h，那么，水平擱置在其上的混凝土板也隨之產(chǎn)生向上的變位h。因板的這一變位不受約束，是自由變位，故板內(nèi)應(yīng)力為零。
邊坡板是有一定坡角而斜向放置的，它的法向變位應(yīng)與前述的第一種情況接近，應(yīng)該說從渠底開始至渠頂越向上法向變位越接近自由變位，只在坡腳處及其附近的法向變位有來自底板及底板下凍土的約束，因此只在坡腳附近邊坡板內(nèi)會產(chǎn)生法向的凍漲力，考慮到約束邊坡板法向變位沿板長的范圍很小，且邊坡板與底板為鉸接，故可忽略坡腳處邊坡板的法向凍漲力，邊坡板在法向可視為法向自由體，板內(nèi)法向凍漲力為零。
既然板內(nèi)的法向凍漲力為零，則板內(nèi)的凍漲力只能是切向凍漲力，切向凍漲力決定于邊坡板的切向變位，下面就討論這個(gè)問題。
由于渠底土的含水量大于渠頂?shù)暮浚裕椎膬鰸q量就大于渠頂?shù)膬鰸q量，設(shè)二者凍漲量之間的差值為△h，那么，對于邊坡板而言，其坡腳處的凍漲量等于渠底的凍漲量，其坡頂處的凍漲量等于渠頂處的凍漲量，坡腳、坡頂處則也有凍漲量差值△h 存在。若邊坡板是彈性的，由幾何關(guān)系，可根據(jù)凍漲量差值△h 計(jì)算出邊坡板A B 在經(jīng)過凍漲變形后其長度縮短了△L，如圖1、2 所示，△L 可用下式計(jì)算：
邊坡板在凍漲過程中要產(chǎn)生軸向壓縮變形△L，說明作用在該板上的凍漲力必定是軸向壓力，即邊坡板和凍土層之間的約束力為切向力。由于混凝土邊坡板屬于剛性體，在切向約束力的作用下基本不產(chǎn)生變形，故梯形混凝土板襯砌渠道在發(fā)生凍漲時(shí)，邊坡板和其下凍土層之間的切向約束應(yīng)屬于全約束，其變形量△L≈0，板內(nèi)的壓應(yīng)力卻很大。
圖1 渠道橫斷面凍漲變形圖
圖2 邊坡板凍漲變位圖
三、襯砌板受力分析
當(dāng)混凝土渠道發(fā)生凍漲時(shí)，襯砌板和其下的土層凍結(jié)在一起，在渠床土凍漲過程中由于含水土層的凍漲變形，將把整個(gè)渠道抬高一個(gè)高度，如圖3 所示。在這里我們仔細(xì)討論一下邊坡板的變位情況，首先，我們把邊坡板在凍漲后發(fā)生的變位分解為平行于邊坡板和垂直于邊坡板的兩個(gè)相互正交的變位，并分別稱它們?yōu)榍邢蜃兾慌c法向變位。我們根據(jù)變位與變位約束的關(guān)系就可以推斷邊坡板所承受的凍漲力。下面分別討論邊坡板的切向變位情況與法向變位情況，就可以討論邊坡板的切向凍漲力與法向凍漲力。
（一）邊坡板的受力分析
當(dāng)邊坡板和其下土體凍結(jié)在一起時(shí)，由于坡腳、坡頂處凍漲量差值△h 的存在和邊坡板變形量△L=0 的原因，故邊坡板只能作整體順坡向上滑移，而由于板與凍土層之間的凍結(jié)作用成為一個(gè)整體，凍土層將阻止邊坡板的滑移，在二者接觸的界面上就產(chǎn)生了阻力阻礙邊坡板向上滑移，這個(gè)阻力是由于凍漲所引起的，又是作用在板的切向，故稱為切向凍漲力。設(shè)單位面積的切向凍漲力為τ，縱向單位渠長邊坡板下表面的剪應(yīng)力合力為F，則邊坡板的切向凍漲力F 可用下式計(jì)算：
式中：τ為混凝土邊坡板與凍土層之間的剪切應(yīng)力；L 為邊坡板沿斜坡的長度。
把切向凍漲力F 作平移處理，再考慮板的自重，那么作用在邊坡板軸線上的力就是一個(gè)軸向壓力N 和一個(gè)力矩M ，計(jì)算簡圖如圖4 所示，顯然混凝土邊坡板是一細(xì)長偏心受壓構(gòu)件。
圖3 邊坡板與凍漲土層之間的剪應(yīng)力圖
圖4 邊坡板的受力簡圖
當(dāng)負(fù)溫來臨，板與土體凍結(jié)在一起，由于基土的切向凍漲力使板被壓縮，則板對基土的作用就為拉力。當(dāng)渠底與渠頂凍漲量差值增大到某一值時(shí)，板下剪力達(dá)到最大值。板下剪應(yīng)力合力的最大值等于凍土層所能承受的最大拉力。板下凍結(jié)土體是受拉構(gòu)件，它的抗拉能力(即它所能承受的最大拉力)為其凍結(jié)強(qiáng)度(T)與橫斷面的面積的乘積。取沿渠道長度方向?yàn)?span lang="EN-US">1m的凍土來計(jì)算，則有：
T=T·H (3)
式中：H 為凍土深度(m )；T 為基土的凍結(jié)強(qiáng)度，凍結(jié)強(qiáng)度T與凍土的溫度有關(guān)，當(dāng)溫度在–15℃以上，可用式T=C+a·t來計(jì)算，t為負(fù)溫的絕對值。c、a 為和土有關(guān)的系數(shù)，當(dāng)基土為壤土?xí)r，c、a 分別為0.5 和0.12，當(dāng)基土為粉質(zhì)壤土?xí)r，c、a 分別為0.4和0.1，當(dāng)基土為重粉質(zhì)壤土?xí)r，c、a 分別為0.4 和0.6。
（二）底板受力的分析
由于邊坡板與底板間為鉸接，建立邊坡板受力簡圖以后，也不難確定底板的計(jì)算簡圖。作用在底板上的外力有從兩側(cè)邊坡板傳來的力N ，N 可分解為N x 和N y，x、y 為水平方向和鉛垂方向，底板的自重G D 和地基反力q。
N x=N·cosα
N y=N·sinα (4)
設(shè)扣除板自重后的凈約束力為qn，則
底板的最大彎矩Mmax 按簡支梁考慮，按下式計(jì)算：
底板屬于壓彎構(gòu)件，既有壓桿失穩(wěn)破壞問題，又有受彎破壞問題，因?yàn)槌惺軝M向均布荷載q 的底板，其中部彎矩最大，正截面上部受拉，底板中部有被拉裂的可能而發(fā)生彎曲破壞。在計(jì)算出邊坡板內(nèi)力之后，底板的內(nèi)力可由上述公式計(jì)算得出。
（三）消除作用在邊坡板上切向凍漲力的方法
混凝土渠道在凍漲過程中邊坡板和凍結(jié)土體之間的切向約束屬全約束，切向凍漲力就是切向約束反力。若設(shè)法解除了邊坡板和凍結(jié)土層之間的約束，約束力自然就不存在了，切向凍漲力也就完全消除了。在混凝土邊坡板下設(shè)置一道在負(fù)溫下不凍結(jié)可滑移的隔離層，就可以有效地解除二者之間的凍結(jié)約束，以達(dá)到消除作用在邊坡板上切向凍漲力的目的。
四、結(jié)語
灌區(qū)渠系水利用效率的調(diào)高是水利管理現(xiàn)代化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的必然要求，隨著西部大開發(fā)的逐步深入，更多更先進(jìn)的現(xiàn)代化技術(shù)必將在灌區(qū)管理的方方面面得到更為廣泛的應(yīng)用，這是灌區(qū)整體技術(shù)提升的中間過程，也是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中的重要一環(huán)。在渠系規(guī)劃布置中，首先要注意選用較優(yōu)的渠線，但要完全避開地質(zhì)條件差的地段，則難以辦到，所以寒區(qū)地質(zhì)條件差的渠系凍漲設(shè)計(jì)時(shí)候分必要的。
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