渠道凍土模型研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

蘆 琴

（陜西楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 水利工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

1 引言

我國(guó)國(guó)土面積960萬(wàn)km2，其中多年凍土區(qū)占21.5%，季節(jié)凍土區(qū)占53.5%，工程凍害普遍嚴(yán)重。廣大旱寒地區(qū)地表土層由于氣溫周期性變化而產(chǎn)生反復(fù)凍結(jié)與融化，凍融過(guò)程中伴隨水分遷移及相變，導(dǎo)致土體凍脹于融沉，嚴(yán)重威脅著凍土層上各類(lèi)建筑設(shè)施的安全運(yùn)營(yíng)，如渠道襯砌凍脹破壞、道路翻漿、樁基凍拔、房屋開(kāi)裂等，尤其是在水文地質(zhì)不良地帶，危害更大。特別是季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)的灌排渠道凍脹破壞非常嚴(yán)重，致使襯砌渠道因凍脹破壞使渠系輸水損失近50%，造成巨大浪費(fèi)，加之年年維修，年年破壞，不僅浪費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，而且影響工程正常運(yùn)行及效益，制約著灌區(qū)健康發(fā)展及糧食安全生產(chǎn)。渠道襯砌防身抗凍脹是提高灌溉水利用率的關(guān)鍵措施之一。

北方旱寒灌區(qū)自然條件十分惡劣，干旱缺水，集結(jié)凍土分布廣泛，襯砌渠道凍害問(wèn)題一直受到農(nóng)田水利工程界的關(guān)注。渠道凍脹破壞的根本原因是寒冷氣候條件、凍脹性渠基土質(zhì)與水分補(bǔ)給導(dǎo)致基土凍脹，加之以經(jīng)驗(yàn)為主設(shè)計(jì)的渠道襯砌板與結(jié)構(gòu)形式自身強(qiáng)度較低，在受到不均勻分布的凍脹力與凍結(jié)力的作用下發(fā)生凍脹破壞。但因凍害機(jī)理復(fù)雜、影響因素難以徹底改變或消除，目前還不能從根本上解決問(wèn)題。進(jìn)一步開(kāi)展襯砌渠道凍脹破壞模型及抗凍脹結(jié)構(gòu)新形式等關(guān)鍵技術(shù)的研究，探討適合廣大旱寒灌區(qū)農(nóng)田水利工程建設(shè)的新型襯砌結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論和方法，是連續(xù)兩年中央一號(hào)文件加強(qiáng)農(nóng)田水利（渠道襯砌約占50%－60%的投資）建設(shè)的重要任務(wù)。旱寒區(qū)渠道凍脹破壞問(wèn)題的解決不僅對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉、農(nóng)村供水、小水電建設(shè)等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活有著重大影響，而且可以最大限度減少水資源損失及浪費(fèi)，提高工程效益及管理水平，對(duì)于北方旱寒灌區(qū)建設(shè)和糧食安全及經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益及現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究現(xiàn)狀

襯砌渠道凍脹破壞的直接原因是基土凍脹，水熱力三場(chǎng)耦合模型是對(duì)其凍脹機(jī)理和凍結(jié)過(guò)程進(jìn)行定量描述的科學(xué)方法，這一直是國(guó)際凍土界研究的前沿與熱點(diǎn)。

目前，常見(jiàn)的三場(chǎng)耦合模型主要可以歸納為經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、水?dòng)力模型、剛冰模型和熱力學(xué)模型。國(guó)外最具有代表性的有Harlan R L的水動(dòng)力模型、Miller提出的第二凍脹理論和O’Neill提出的剛冰模型。

國(guó)外在土體凍結(jié)耦合效應(yīng)研究方面起步較早，Harlan R L提出了水熱耦合的概念，并建立水動(dòng)力學(xué)模型，將凍脹理論研究推向量化研究的新階段。O’Neill和Miller基于第二凍脹理論考慮了凍結(jié)緣內(nèi)水、熱遷移過(guò)程的耦合現(xiàn)象，考慮了相變加入的作用，建立了剛冰模型。Shen Mu和B。Ladanyi等人在Harlan水動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，把遷移的水分量簡(jiǎn)單等效成一附加變形而作用在應(yīng)力場(chǎng)上，從而建立起準(zhǔn)三場(chǎng)耦合模型。Duquennoi提出了凍土的熱學(xué)力學(xué)水、熱、力三場(chǎng)耦合模型。Fremond和Mikkoa在此基礎(chǔ)上考相變膨脹、荷載對(duì)凍土變形及變形對(duì)水分遷移的影響，進(jìn)一步發(fā)、完善二場(chǎng)耦合模型。

李洪升等在剛性冰模型基礎(chǔ)上，將凍土體視為均勻連續(xù)且各向同性的空間彈性體來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析，提出了三場(chǎng)耦合的一般數(shù)學(xué)模型。何平等考慮密度場(chǎng)的變化以及應(yīng)力場(chǎng)對(duì)地土體的變形和水分凝冰形成的作用，對(duì)飽和正凍土的三場(chǎng)耦合理論進(jìn)行理論探索。李寧、陳飛熊提出了飽和正凍土的三場(chǎng)耦合理論進(jìn)行理論框架，更全面的描述了正凍土的水、熱、力與變形的實(shí)際狀態(tài)。周作家提出冰透鏡體形成分離孔隙率判定準(zhǔn)則，對(duì)導(dǎo)水率進(jìn)行修正，建立了飽和正凍土三場(chǎng)耦合模型。劉雄等將建立的含損傷的凍土彈性本構(gòu)模型用于應(yīng)力場(chǎng)的分析并與溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)聯(lián)合，建立了考慮以穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)為初始條件的瞬時(shí)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的三場(chǎng)耦合模型。朱志武等提出了考慮凍土非線性本構(gòu)含相變的水、熱、力耦合數(shù)學(xué)模型。許強(qiáng)等考慮體積應(yīng)變對(duì)溫度場(chǎng)重分布的影響，推導(dǎo)出更為完善的溫度場(chǎng)方程和體積應(yīng)變計(jì)算式，強(qiáng)化了溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合效應(yīng)。武建軍和韓天一在剛性冰及水運(yùn)動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，建立了飽和土凍結(jié)過(guò)程中水、熱、力耦合動(dòng)力學(xué)模型。

一系列水熱力耦合模型的建立，從不同角度對(duì)土體凍結(jié)機(jī)理進(jìn)行研究，豐富與發(fā)展了凍土力學(xué)理論。但是，這些三場(chǎng)耦合模型只考慮了水熱力之間的耦合，很少考慮水熱力特征參數(shù)隨三場(chǎng)耦合變化，更沒(méi)有考慮凍土基礎(chǔ)與建筑物的相互作用，然而凍害的發(fā)生正是由于這種相互作用的結(jié)果。

3 研究趨勢(shì)

眾多學(xué)者提出了凍土的各種三場(chǎng)耦合模型，主要關(guān)注點(diǎn)都在于土體凍結(jié)過(guò)程中水、熱、力三場(chǎng)的耦合，而對(duì)于有關(guān)水、熱、力三類(lèi)特征參數(shù)與三場(chǎng)動(dòng)態(tài)耦合模型，但是卻沒(méi)有深入研究水、熱、力三類(lèi)特征參數(shù)取值合理與否直接決定著三場(chǎng)求解的正確性。因此，建立三場(chǎng)耦合模型的關(guān)鍵基礎(chǔ)工作是研究能夠準(zhǔn)確描述土體凍結(jié)過(guò)程的凍土材料力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)及熱力學(xué)三類(lèi)特征參數(shù)隨三場(chǎng)耦合變化規(guī)律。在對(duì)凍土力學(xué)性質(zhì)隨三場(chǎng)變化的研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從熱力學(xué)、混合物理論等角度出發(fā)建立起凍土的各種力學(xué)模型。周?chē)?guó)慶從試驗(yàn)角度分析了溫度梯度對(duì)凍土彈性模量的影響，并建立了反映溫度梯度與凍土變形特性關(guān)系的數(shù)學(xué)模型；何平等采用損傷力學(xué)理論，提出凍土粘彈塑性損傷耦合本構(gòu)理論；寧建國(guó)等從復(fù)合材料的細(xì)觀力學(xué)理論出發(fā)，建立了含損傷的凍土彈性本構(gòu)關(guān)系，將凍土的內(nèi)部組構(gòu)與宏觀的凍土力學(xué)行為結(jié)合進(jìn)行研究；孫星亮等建立了凍土彈塑性各向異性損傷本構(gòu)方程；李棟偉等基于熱力學(xué)原理和統(tǒng)計(jì)損傷理論建立了相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則下的凍土蠕變損傷耦合本構(gòu)方程；王正中等通過(guò)對(duì)凍土形成過(guò)程及細(xì)觀組構(gòu)特點(diǎn)的分析，應(yīng)用復(fù)合材料力學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)測(cè)定，認(rèn)為凍土是非線性橫觀各向同性材料，并建立了相應(yīng)的凍土本構(gòu)模型及強(qiáng)度準(zhǔn)則，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行了應(yīng)用研究。

實(shí)際上，土體凍結(jié)時(shí)，溫度場(chǎng)變化會(huì)引起未凍區(qū)水分向凍結(jié)鋒面遷移，凍土的細(xì)觀組構(gòu)也隨冰、水、土粒、氣各相比例的變化而同步變化，并伴隨有大量相變潛熱產(chǎn)生，影響土體熱物理參數(shù)、水動(dòng)力學(xué)參數(shù)及凍土力學(xué)參數(shù)，從而改變溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)及土體內(nèi)有效應(yīng)力場(chǎng)的變化及分布，也影響著凍結(jié)線進(jìn)程；溫度場(chǎng)和水分場(chǎng)又決定著土體凍融狀態(tài)，反過(guò)來(lái)又影響土體熱物理參數(shù)、水動(dòng)力學(xué)參數(shù)及凍土力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而引起凍脹位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化。因此，不僅土體凍融過(guò)程是溫度、水分、應(yīng)力三場(chǎng)耦合的復(fù)雜過(guò)程，而且土體凍融過(guò)程中三場(chǎng)變化也導(dǎo)致凍土細(xì)觀組構(gòu)及物理性狀的不斷變化，進(jìn)而使其水熱力三類(lèi)型特征參數(shù)隨之變化。

4 凍土模型研究發(fā)展的展望

目前基于凍土三場(chǎng)耦合理論的渠道凍脹研究不僅將凍土水、熱、力特征參數(shù)取為定值，而且將襯砌結(jié)構(gòu)自重等效為靜態(tài)荷載邊界，既沒(méi)有考慮凍土水、熱、力特征參數(shù)隨三場(chǎng)的變化，也沒(méi)有考慮襯砌結(jié)構(gòu)與渠道凍土的相互作用過(guò)程，而考慮凍土與襯砌相互作用的渠道凍脹破壞研究卻沒(méi)有考慮三場(chǎng)耦合效應(yīng)。這不僅無(wú)法反映凍土凍脹過(guò)程中特征參數(shù)耦合變化的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)理，也無(wú)法反映凍土與襯砌相互作用的襯砌渠道凍脹破壞機(jī)理。

要科學(xué)定量地揭示凍土上建筑物的破壞機(jī)理，就必須先研究清楚土體凍結(jié)過(guò)程中特征參數(shù)隨水熱力三場(chǎng)的變化規(guī)律，并基于此建立凍土水熱力動(dòng)態(tài)耦合模型，通過(guò)對(duì)凍土與襯砌結(jié)構(gòu)采用一體化建模，考慮建筑物與凍土的相互作用，利用數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)、原型監(jiān)測(cè)相結(jié)合，建立科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬鐾寥龍?chǎng)動(dòng)態(tài)耦合模型及襯砌渠道凍脹破壞模型，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)耐久的渠道抗凍脹新結(jié)構(gòu)，這也是農(nóng)田水利工程建設(shè)中丞待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

［1］宋存牛.凍融過(guò)程中土體水熱力耦合作用理論和模型研究進(jìn)展［J］.冰川凍土，2010（5）：982－988.

［2］Jiazuo Zhou.Dongqing Li Numerical analysis of coupled water heat and stress in saturated freezing soil［J］.Cold Regoing Science and Technology，2012，31：43－49.

［3］蘆琴，王正中，劉計(jì)良，等.弧腳梯形襯砌渠道抗凍脹及水力合理斷面的分析［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，38（1）：231－234.

［4］蘆琴.碾壓混凝土壩施工技術(shù)發(fā)展概況［J］.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012（1）：21－23.