[发明专利]寒区膨胀土渠道劣化破坏成因分析方法及应用

说明书

本发明涉及寒区膨胀土渠道劣化破坏成因分析方法及应用，以寒区膨胀土渠道的通水、停水时间为节点，将寒区膨胀土渠道划分为湿润期、干燥期；以地表温度正温、负温时间为节点，将寒区膨胀土渠道划分为融化期、冻结期；以寒区膨胀土渠道的一次完整的通水、停水为一个周期，将寒区膨胀土渠道的湿润期、干燥期、融化期、冻结期在同一时间线上表示，基于时间线上一个周期内各个时期的湿干冻融交叉耦合状态，进行试样试验。本发明从渠道每年实际经历的通停水及冻融过程出发，提出从湿干冻融耦合作用的角度出发研究寒区膨胀土渠道的劣化破坏过程，为全面揭示复杂环境作用下膨胀土渠道的劣化破坏机理提供了新的研究思路。

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及寒区膨胀土渠道劣化破坏成因分析方法及应用。

背景技术

输水渠道是长距离调水工程的主要输水建筑物。我国拥有各类输水渠道450万km，然而渠系水利用系数仅约53%，即有将近一半的水在输送过程中损失掉了。渠道渗漏的主要原因是渠道结构破坏造成的防渗能力降低。我国季节性冻土占国土面积的53.5%，造成季冻区渠道结构损毁的主要原因是渠基膨胀土的冻胀和融沉作用，占渠道破坏总量的40%以上，严重影响了渠道的正常运行。

冻害是造成气候寒冷地区渠道损毁的主要原因。当土的温度低于0℃时，土中部分水冻结成冰，引起土体体积膨胀，这就是土的“冻胀”。而当气温升高时，由于土中冰的融化，造成土体结构的破坏和强度的急剧减弱，使土体在自重下就产生下沉，即通常所指的“融沉”。长距离输水渠道一般采用混凝土衬砌做表面防护层，不管是渠基膨胀土的冻胀还是融沉，渠道衬砌如果不能适应这种变形，就会产生结构破坏，并进一步造成渠水的长期入渗，加速渠道的劣化损毁。

长距离输水渠道是线性工程，经常会不可避免的穿越膨胀土地区，膨胀土是一种以粘土矿物为主，对环境湿、热变化非常敏感的高塑性粘土。膨胀土在在我国新疆、甘肃、云南、广西、河南、吉林等20几个省份有分布，面积超过10万km²。众多学者的研究表明膨胀土具有裂隙性、胀缩性、强度衰减性、超固结性等，由于其性质差，改良难，被称之为工程界的典型“问题土”。

渠道输水工程实践表明，寒冷地区的膨胀土渠道破坏异常严重。相比较于非冻土地区的膨胀土渠道工程，寒冷地区的膨胀土渠道工程破坏更加严重，例如，北疆供水工程总干渠位于新疆阿勒泰地区，总长133公里，其中膨胀泥岩集中出露段43公里，该地区冬季极端低温达-40℃，最大冻土深度达2.0m。总干渠2000年建成通水运行，2001年发生了8处滑坡，总长度397米；而到了2014年发生了27处滑坡，总长度3537米；截止到2017年底，总干渠已累计滑坡28.5公里。为此，相关单位每年都要耗费大量的人力、物力进行维修，每年维修费用都在5000万元以上，而且浪费了宝贵的渠道输水时间，总干渠设计年输水时间是180天/年，而实际只能运行约130天/年。

因此寒区膨胀土输水渠道工程劣化机理的研究和工程技术措施的研发具有重要意义。目前国内外学者对粘土等普通土体的冻融特性开展了非常多的研究，对膨胀土的研究则集中在干湿循环作用后膨胀土裂隙发展和物理力学特性的变化。而近些年伴随着寒区工程的大量建设，对膨胀土冻融作用的研究，逐渐受到学者们的重视。渠道作为输水建筑物，受水分的影响最为直接和长期，冻融和干湿本质都是由于水分的多少或形态的变化引起的工程问题，因此，从干湿和冻融耦合的角度研究寒区膨胀土渠道的问题应该是最为有效的方法，然而目前还没有看到针对实际工程中寒区膨胀土渠道所经历的状态变化，进行湿干冻融过程的详细研究和分析方法。

发明内容

本发明的目的在于提供寒区膨胀土渠道劣化破坏成因分析方法及应用。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种寒区膨胀土渠道劣化破坏成因分析方法，基于湿干冻融耦合研究寒区膨胀土渠道劣化破坏成因，包括如下步骤：

以寒区膨胀土渠道的通水、停水时间为节点，将寒区膨胀土渠道划分为湿润期、干燥期；