小型U形玻璃鋼渠道抗凍脹數(shù)值模擬

車忠新

(撫順市新賓滿族自治縣水務(wù)局，遼寧 新賓 113200)

科學(xué)研究及工程設(shè)計

小型U形玻璃鋼渠道抗凍脹數(shù)值模擬

車忠新

(撫順市新賓滿族自治縣水務(wù)局，遼寧 新賓 113200)

玻璃鋼渠道在我國北方部分灌溉渠道建設(shè)中得到應(yīng)用，其抗凍脹效果得到普遍認可。由于地區(qū)差異大，其性能表現(xiàn)也可能存在差異。本文以遼寧新賓縣渠道工程為例，通過ANSYS有限元分析，對小型U形玻璃鋼渠道模型、混凝土渠道模型的抗凍脹性能進行對比，結(jié)果表明：兩類渠道模型保溫性能差異很??；與混凝土渠道相比，小型U形玻璃鋼渠道韌性更強、應(yīng)力分散作用更顯著，小型U形玻璃鋼渠道可以更好地維持渠道襯砌板穩(wěn)定性。

U形玻璃鋼渠道；抗凍脹性能；數(shù)值模擬

我國東北地區(qū)耕地多為粉質(zhì)黏土，當(dāng)氣溫降低至冰點后，若土壤含水量達到一定程度，則極易出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象。目前這些地區(qū)的灌溉渠道多采用混凝土結(jié)構(gòu)，一旦出現(xiàn)基土凍脹，可能導(dǎo)致渠道變形、塌陷，從而影響渠道使用穩(wěn)定性，還可能引發(fā)嚴(yán)重事故，危害農(nóng)田及生產(chǎn)者安全。為有效應(yīng)對渠道基土凍脹危害，黑龍江、寧夏、內(nèi)蒙古和青海等地嘗試推廣玻璃鋼渠道[1-2]。事實上在水文和地質(zhì)條件一定時，溫度是影響基土凍脹的關(guān)鍵因素[3-4]。在我國各地的溫度差異十分顯著，在引入玻璃鋼渠道時，需要對溫度變化與抗凍脹性能的關(guān)系進行研究。本文以新賓縣農(nóng)業(yè)灌溉渠道為例，通過建立小型U形玻璃鋼渠道模型，采用ANSYS軟件對其抗凍脹性能進行模擬。通過模擬分析，希望對推動小型U形玻璃鋼渠道的應(yīng)用有積極作用。

1 小型U形玻璃鋼渠道原型概況

小型U形玻璃鋼渠道原型，為遼寧省新賓縣農(nóng)業(yè)灌溉工程示范區(qū)。通過對該區(qū)域進行地質(zhì)測量，渠道基土呈顯著粉質(zhì)特征，屬于凍脹性土質(zhì)。該渠道斷面為U形。根據(jù)工程設(shè)計，整體呈南北走向，總長度為1.50km，縱比降為1/8000；渠道寬度為0.98m，深度為0.83m；渠底圓心角為2α=155°，對應(yīng)半徑R為0.45m；斜坡直線段長度L為0.50m，其垂直傾斜度β=13°。在完成渠道開挖后，有兩種材質(zhì)備選方案：?鋪設(shè)混凝土，厚度為0.06m；?鋪設(shè)玻璃鋼，厚度為0.005m(玻璃鋼試塊見圖1)。

2 小型U形玻璃鋼渠道有限元模型

2.1 基本假定

在對玻璃鋼渠道進行建模分析時，不可能對濕度、溫度、含水量、基土土質(zhì)及襯砌體剛度等進行全面、精確模擬，因此，需對關(guān)鍵要素作如下假定：?基土各個方向的性質(zhì)均勻分布；?在含水量、土質(zhì)等條件既定時，僅將溫度作為抗凍脹性能的影響因素；?凍結(jié)過程中，基土封閉，不再有水體滲入或者滲出；?襯砌體對渠道抗凍脹不產(chǎn)生影響，渠道各個方向的抗凍脹性能不存在差異。

2.2 有限元基本原理

2.2.1 熱傳導(dǎo)方程

遼寧地區(qū)的渠道凍結(jié)過程較長，與熱傳導(dǎo)過程相同。因此，可根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律建立如下穩(wěn)態(tài)二維熱傳導(dǎo)微分方程[5]：

(1)

式中T——溫度，℃；

λ——坐標(biāo)軸不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；

ρ——渠道容重，kg/m3；

Q——熱源強度(內(nèi)部)，W/kg；

t——持續(xù)時間，h；

c——比熱，J/(kg·℃)。

通過式(1)，可以建立有限元分析所需的溫度場。然而，在研究渠道導(dǎo)熱問題時，還需確定初始條件、邊界條件。其中，初始條件表示渠道開始導(dǎo)熱時(t=0)的溫度分布特征，其表達式為

(2)

邊界條件是指渠道基土邊緣的換熱特征，其表達式為

(3)

在建立起穩(wěn)態(tài)溫度場后，即默認渠道基土內(nèi)無熱源。此時，Q=0，且各測試點溫度恒定，即

(4)

于是，可將式(1)作如下簡化：

(5)

因為已經(jīng)假設(shè)溫度在各個方向無差異，即

(6)

于是，式(5)可進一步簡化為

(7)

2.2.2 應(yīng)力應(yīng)變方程

當(dāng)環(huán)境溫度變化時，渠道基土、襯砌體等會發(fā)生凍脹變形，從而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)變。依據(jù)熱應(yīng)力理論，此時的渠道結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變方程為

(8)

式中γxy——剪應(yīng)變；

ε——正應(yīng)變；

τxy——剪應(yīng)力；

E——彈性模量；

α——襯砌體自由膨脹系數(shù)；

Δt——溫度變化值；

μ——泊松比。

2.3 參數(shù)選取

在采集渠道工程數(shù)據(jù)后，根據(jù)式(1)～式(8)，可得渠道模型主要參數(shù)，結(jié)果見表1。同時，凍土材料彈性模量隨著溫度變化有所不同：當(dāng)溫度為-1℃時，彈性模量為10MPa；當(dāng)溫度為-2℃時，彈性模量為26MPa；當(dāng)溫度為-3℃時，彈性模量為33MPa；當(dāng)溫度為-5℃時，彈性模量為46MPa。

表1 玻璃鋼與混凝土材料參數(shù)選取

2.4 有限元模型建立

根據(jù)“中國季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深線圖”，結(jié)合所選渠道工程實際情況，將凍深最大值確定為1.20m。由圖2可見，小型U形玻璃鋼渠道基土，最大凍深線沿著渠頂板、渠底板下方1.20m分布。以最大凍深線為界線，其上為凍土區(qū)(標(biāo)記為Ⅰ)，其下為非凍土區(qū)(標(biāo)記為Ⅱ)。

圖2 渠道基土結(jié)構(gòu)(單位：m)

2.5 有限元計算結(jié)果分析

在計算有限元模型熱邊界條件時，其上邊界條件取凍融期最低氣溫，其下邊界條件取凍融期最高氣溫。由表2可知，本研究中的有限元模型上邊界、下邊界溫度分別為-15.05℃、10.40℃。由于渠道模型位移邊界不受約束，因而屬于自由凍脹。

表2 2012—2016年凍融周期月平均氣溫 單位：℃

2.5.1 溫度場分析

溫度是影響渠道基土凍脹性能的最重要參數(shù)，在很大程度上決定著渠道的穩(wěn)定性。通過將邊界溫度施加于渠道模型中，可得其溫度場分布云圖(見圖3)。在凍土區(qū)，溫度變化十分明顯，溫差梯度也十分明顯；在非凍土區(qū)，溫度線則十分平整?？梢姡阑辽顚邮艿竭吔鐪囟鹊挠绊懯治⑷?。同時，通過比較渠頂部、斜坡以及底板處溫度變化情況可以發(fā)現(xiàn)，渠底板下凍土深度明顯更小。這表明底板可以起到隔絕冷空氣的作用，有利于保護渠底穩(wěn)定性。

圖3 渠道溫度場云圖(單位：℃)

2.5.2 位移場分析

渠道基土發(fā)生凍脹后，會產(chǎn)生垂直方向的凍脹力，同時，渠道基土與襯砌板之間會形成凍結(jié)力。在以上兩種外力作用下，渠道及其襯砌體會向上位移。為了更加直觀地觀察渠道位移結(jié)果，將其變位數(shù)值展開(見圖4)。渠道整體存在上抬特征。

圖4 渠道襯砌板變位數(shù)值模擬展開圖

由圖4可知，兩類渠道凍脹位移呈現(xiàn)如下幾個特征：與混凝土渠道位移值相比，陽坡板、陰坡板以及渠底板處，小型U形玻璃鋼位移值更小。不過，二者的位移值變化特征十分類似，最大值均出現(xiàn)在兩側(cè)(陽坡板略大于陰坡板)；最小值均出現(xiàn)在渠底板。最大位移值之所以會出現(xiàn)在頂板處，是因為頂板基土不受約束，在自由凍脹狀態(tài)下的凍脹量也就較大。

在渠底，混凝土渠道位移值為4.14cm，小型U形玻璃鋼位移值為4.54cm，前者要小于后者；在兩側(cè)，混凝土渠道位移值為2.32cm，小型U形玻璃鋼位移值為3.26cm，前者要小于后者。

可見，與混凝土渠道相比，小型U形玻璃鋼位移值更大。然而，這并不意味著后者安全性和穩(wěn)定性更低。這是因為，小型U形玻璃鋼的彈性模量、厚度均更小，基土凍脹分布更加均勻，對渠道的凍脹力作用也更均勻；同時，小型U形玻璃鋼的韌性更佳，當(dāng)凍土融化后，渠道能夠快速恢復(fù)至原狀。

2.5.3 應(yīng)力場分析

在進行應(yīng)力場模擬時，須從法向凍脹力、切向凍脹力這兩方面進行。

當(dāng)基土凍脹后，會對襯砌板形成法向作用力，即為法向凍脹力。當(dāng)溫度設(shè)定在-1℃后，基土開始出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象?；炷燎滥Ｐ团c小型U形玻璃鋼渠道模型的法向凍脹力最大值均出現(xiàn)在頂板處。這是因為，頂板處受到水平和縱向雙重凍結(jié)，加之其約束呈剛性，因而應(yīng)力最為集中?；炷燎滥Ｐ偷姆ㄏ騼雒浟ψ畲笾禐?.32MPa，小型U形玻璃鋼渠道模型的法向凍脹力最大值為6.05MPa?？梢?，采用玻璃鋼渠道可以將法向凍脹力最大值降低4.46%，這可以更有效地防止渠道局部應(yīng)力過于集中，避免影響其使用安全性。

當(dāng)基土出現(xiàn)凍脹后，為了阻止渠道襯砌板上抬，凍土?xí)纬上孪蜃饔昧?，即為切向凍脹力。在凍土區(qū)，兩類模型的切向凍脹力最大值均出現(xiàn)在渠坡與底板相切處左側(cè)。這是因為，渠坡板受到的約束多，且剛性特征顯著，故應(yīng)力在此最為集中。與最大值分布相對應(yīng)的是，切向凍脹力最小值出現(xiàn)在陽坡一側(cè)。這是因為，陽坡溫度相對更高，基土凍脹量更小，加之底板約束小，因而形成較小的切向凍脹力?；炷燎滥Ｐ退鶎?yīng)的切向凍脹力分布在區(qū)間[4.69MPa，8.44MPa]，小型U形玻璃鋼渠道模型所對應(yīng)的切向凍脹力分布在區(qū)間[4.43MPa，8.02MPa]。

可見，小型U形玻璃鋼渠道可以有效地降低切向凍脹力，使基土凍脹所引起的渠道變形可以得到更好的釋放，從而增加渠道穩(wěn)定性。

3 結(jié) 語

本文以新賓縣灌溉工程示范區(qū)的渠道為原型，分別構(gòu)建混凝土渠道模型、小型U形玻璃鋼渠道模型；在完成有限元原理討論后，選定主要參數(shù)，并運用ANYSYS軟件構(gòu)建有限元模型。經(jīng)過有限元計算，繪制出兩類渠道模型的溫度場、位移場等云圖。

通過分析和討論，得出如下幾點結(jié)論：與混凝土渠道模型相比，小型U形玻璃鋼渠道模型在韌性、應(yīng)力分散以及位移控制等方面有更好表現(xiàn)，同時，小型U形玻璃鋼渠道具有更好的防滲效果，可以防止凍脹過程中補入含水量而加劇襯砌板變形；兩類模型的保溫效果不存在顯著差異；小型U形玻璃鋼渠道可以有效地降低法向凍脹力、切向凍脹力，提升渠道抗壓/抗拉性能，從而有效釋放渠道變形，提升渠道運行安全性和穩(wěn)定性。

[1] 鄭輝玲. 甘州區(qū)盈科干渠工程凍脹破壞的原因及防治措施[J].水利建設(shè)與管理, 2011(6):48-49.

[2] 柴振軍. 弧底梯形渠道無喉道量水槽水動力學(xué)性能分析[J].中國水能及電氣化, 2016(10):37-40.

[3] 李根,何武全,宋清林,等. 混凝土襯砌渠道置換防凍脹標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)模式[J].節(jié)水灌溉,2015(4):79-83.

[4] 唐少容,王紅雨,李存云.考慮襯砌板跨度影響的U形渠道熱——力耦合研究[J].灌溉排水學(xué)報,2015,(11):65-69.

[5] 程傳勝,田軍倉,王斌,等. 旱寒地區(qū)U形玻璃鋼和混凝土渠道抗凍脹性能的研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報,2015(6):173-177.

Numerical Simulation on Freezing Risistance in Small-sized U-shaped Glass Steel Channels

CHE Zhongxin

(FushunXinbinManchuAutonomousWaterSuppliesBureau,Xinbin113200,China)

Glass fiber reinforced plastics have been applied in building of irrigation channels in North China and its freezing risistance effects have obtained high approval. However, due to big regional variance, their performance might vary. This article puts channel project in Xinbin County, Liaoning as an example. Through ANSYS finite element analysis, it carries out comparison on small-scaled U-shaped glass steel channel model and concrete channel model. Results show that the two channel models show minor difference in property of thermal conservation. Compared with concrete channel, small-scaled U-shape glass steel channels are better in tenacity and more significant in stress dispersion effect, so stability of canal lining can be better maintained.

U-shape glass steel channel; freezing risistance performance; numerical simulation

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.013

TV672+.2

A

1673-8241(2017)04- 0049- 04