縱縫削減混凝土襯砌渠道凍脹效果模擬分析

丁文明

（新疆喀什地區(qū)澤普縣水利局，新疆 澤普844800）

下東岸干渠為澤普縣葉爾羌河灌區(qū)唯一的輸水總干渠，地區(qū)最冷1月份平均氣溫-6℃，最大凍深0.69m，為寒冷地區(qū)。根據(jù)地質(zhì)勘察判定，渠道沿線均為凍脹性土。如采用混凝土板等剛性材料襯砌時(shí)，需要進(jìn)行防凍脹設(shè)計(jì)。渠道斷面為梯型，分縫設(shè)計(jì)分為結(jié)構(gòu)縫和伸縮縫兩種形式。

為了解渠道分縫對削減凍脹破壞效果，本文通過數(shù)值模擬，分析渠道混凝土襯砌板凍脹力、凍脹變形的分布規(guī)律，確保建設(shè)渠道達(dá)到最佳的防凍效果。

1 渠道凍脹影響因素

1.1 水分

基礎(chǔ)含水量對于渠道凍脹程度有著重要影響，如基礎(chǔ)初始含水量在0.75%～0.95%，外部環(huán)境溫度下降時(shí)，渠道襯砌板容易產(chǎn)生凍脹破壞。而當(dāng)基礎(chǔ)含水量不超過凍脹含水量時(shí)，土顆粒之間基本上不會(huì)發(fā)生相對位移，外界溫度下降導(dǎo)致基礎(chǔ)水結(jié)，土顆粒間由足夠的空間供冰凝體發(fā)生膨脹，因此渠道混凝土襯砌板不易發(fā)生凍脹破壞。同時(shí)，地下水位的埋深對于渠道凍脹破壞也有較大關(guān)系，其與水分遷移量和凍脹量基本上成反比例關(guān)系。地下水水位越低，基礎(chǔ)水遷移路徑也會(huì)對應(yīng)增長，水分不易到達(dá)凍結(jié)區(qū)[1-2]。

1.2 溫度

溫度會(huì)對基礎(chǔ)土的凍脹速率造成影響，當(dāng)外界溫度緩慢下降且持續(xù)時(shí)間足夠長時(shí)，凍結(jié)區(qū)的凍結(jié)厚度將不斷增加，形成大范圍的凍脹區(qū)域，并在渠基中產(chǎn)生夾層，繼而導(dǎo)致嚴(yán)重的凍脹破壞。在調(diào)查原下東岸干渠混凝土襯砌渠道工程凍脹破壞基礎(chǔ)上，渠道在相同外界條件下，渠道溫度也有較大的差異，調(diào)查結(jié)果如表1。

表1 渠道凍脹量統(tǒng)計(jì)

分析可知，當(dāng)渠道為N-S走向時(shí)，相同坡面溫度上下部位的溫度差不大，凍深差值和渠道溫度較NE45渠道?。涣硪蛔呦蚯朗芄庹找蛩赜绊?，凍深差與渠道不同部位溫度差值均較大，同一破面溫度差也較大。

1.3 基礎(chǔ)土質(zhì)

渠道基礎(chǔ)土的性質(zhì)有關(guān)，基土抗凍性越差，凍土體積也越大?；练稚⑿杂绊懼鴥鼋Y(jié)時(shí)的凍脹強(qiáng)度，并對水分在土體中的遷移有影響，在外界條件相同時(shí)，土體粒徑尺寸越大，水分遷移量也越大。

2 坡板縱縫對混凝土襯砌板凍脹影響

2.1 模擬方案

運(yùn)用有限元軟件ADINA，建立混凝土襯砌渠道的熱傳導(dǎo)方程，凍土凍脹系數(shù)在熱力耦合中采用負(fù)線脹系數(shù)[3-4]。未凍土和混凝土線脹系數(shù)分別為0，1.12×10-5α/℃，基土、未凍土和混凝土的彈性模量泊松比分別取0.33，0.369，0.171；凍結(jié)時(shí)的渠道導(dǎo)熱系數(shù)取2.012W/（m·℃）。模擬渠道在未設(shè)縫、坡腳處設(shè)縫、1/3坡高處設(shè)縫的變形場、應(yīng)力場變化情況，沿渠道襯砌板斷面設(shè)置9個(gè)觀測點(diǎn)，如圖1。

圖1 渠道監(jiān)測點(diǎn)布置

2.2 變形場變化

將模擬得到的變形長凍脹量變化與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖2。

圖2 模型實(shí)測與數(shù)值模擬凍脹量變化

由圖2可知，①坡腳處設(shè)置縱縫有效改善了凍脹變形情況，整體變形較為均勻，與未設(shè)縫相比最大凍脹量明顯縮減，如底板最大凍脹量縮減幅度達(dá)62%；②在1/3坡高處設(shè)縫，混凝土襯砌板的凍脹量最小，凍脹變形分布更均勻，與未設(shè)縫相比最大凍脹量縮減達(dá)71%。

對底板凍脹變形分析，由于渠道底板邊界受到邊坡約束，整個(gè)渠道底板凍脹變形呈現(xiàn)中間高兩邊低的情況，渠道底板中央產(chǎn)生應(yīng)力集中，容易發(fā)生彎折斷裂。

渠坡襯砌板上下部位凍脹變形情況也有差異，中下部變形情況較嚴(yán)重，上部凍脹變形較小，且渠坡上部變形常與渠堤變形同步進(jìn)行。同時(shí)，渠基高程、地下水埋深程度對襯砌板變形也有較大影響，改變其中任一因素參數(shù)，襯砌板凍脹變形也將發(fā)生變化。相較于渠坡而言，渠底地下水埋深較淺，凍脹變形不均勻，且渠底自由凍脹變形量大[5]。

2.3 應(yīng)力場變化

法向凍脹力是造成渠道混凝土破壞的主要因素，而切向凍脹力影響整個(gè)襯砌混凝土板的應(yīng)力分布情況。

設(shè)計(jì)模擬渠道混凝土襯砌板在未設(shè)縫、坡腳處設(shè)縫、1/3坡高處設(shè)縫3種情況下的法向凍脹力變化，其結(jié)果如圖3。

圖3 不同法向凍脹力分布情況

觀察得到，渠底法向凍脹力在3種情況下均較為均勻，陰坡數(shù)值較陽坡要大。沿坡面方向，法向凍脹力整體上呈現(xiàn)上小下大的分布趨勢。在1/3坡高處及坡腳設(shè)縫能夠有效改善渠道混凝土襯砌板的受力狀體，釋放變形凍脹能，縮減法向凍脹力。

3 渠底縱縫對混凝土襯砌板凍脹影響

3.1 渠底縱縫變形場變化

灌區(qū)渠道設(shè)計(jì)往往會(huì)縮窄渠口，同時(shí)適當(dāng)加大渠道底部寬度。渠道寬度增加同時(shí)，渠底中心發(fā)生彎曲斷裂的幾率也在增加，因此分析坡腳和底板中心設(shè)置縱縫的抗凍脹效果具有十分重要的意義[6]。

結(jié)合工程設(shè)計(jì)渠道斷面參數(shù)，在適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整基礎(chǔ)上，模擬得到渠道混凝土襯砌板在設(shè)縫和不設(shè)縫兩種情況下的凍脹變形分布情況，如圖4。

圖4 兩種不同情況渠底凍脹量變化情況

由圖4可知，渠道未設(shè)縫時(shí)，渠道底板和邊坡整體變形量均較大，尤其在底板中心和板坡中部，在底板中心和坡腳位置增設(shè)縱縫后，底板和坡板的最大凍脹量縮減分別達(dá)到71%，62%，變形分布更加均勻，削減凍脹效果比較顯著。

3.2 渠底縱縫應(yīng)力場變化

模擬得到渠底未設(shè)縫與設(shè)縫兩種情況的渠道襯砌板法向凍脹力分布情況，如圖5。

圖5 未設(shè)縫與設(shè)縫渠底襯砌板法向凍脹力

由圖5可知，渠底設(shè)縫能夠起到良好的抗凍脹效果，渠道底板與邊坡混凝土襯砌板法向凍脹力都有不同程度的縮減，底板法向凍脹力有明顯縮減，陰坡最大法向凍脹力下降幅度達(dá)到63%。同時(shí)法向凍脹力分布更加均勻，渠道結(jié)構(gòu)受力情況得到有效改善。

4 結(jié)語

（1）渠道凍脹影響因素主要包括水分、溫度和基礎(chǔ)土質(zhì)，3種因素相互作用。基礎(chǔ)含水量超過凍脹含水量時(shí)，土顆粒之間發(fā)生相對位移，外界溫度下降導(dǎo)致基礎(chǔ)水結(jié)，并發(fā)生凍脹破壞；溫度會(huì)對基礎(chǔ)土的凍脹速率造成影響，渠道走向不同，凍深差與渠道不同部位溫度差值也會(huì)有較大差異；基礎(chǔ)土質(zhì)直接影響土體的抗凍性質(zhì)。

（2）底板中心和坡腳位置增設(shè)縱縫后，底板和坡板的最大凍脹量縮減分別達(dá)到71%，62%，變形分布更加均勻，凍脹力縮減明顯，削減凍脹效果比較顯著；坡腳處設(shè)置縱縫，渠道整體變形較為均勻，與未設(shè)縫相比底板最大凍脹量縮減幅度達(dá)62%；在1/3坡高處設(shè)縫，混凝土襯砌板的凍脹量最小，凍脹變形分布更加均勻，與未設(shè)縫相比最大凍脹量縮減達(dá)71%。

[1]韓正元.車排子灌區(qū)混凝土襯砌渠道抗凍脹墊層設(shè)計(jì)[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2016，22（6）：66-67.

[2]耿忠.水利工程隧洞混凝土襯砌裂縫的防范措施[J].中國水能及電氣化，2014（7）：19-21.

[3]李甲林.渠道襯砌凍脹破壞力學(xué)模型及防凍脹結(jié)構(gòu)研究[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009.

[4]王正中，劉旭東，陳立杰，等.剛性襯砌渠道不同縱縫削減凍脹效果的數(shù)值模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（11）：1-7.

[5]楊啟龍.高地下水位渠道混凝土襯砌凍脹損壞數(shù)值模擬研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2017（9）：136-139，153.

[6]高建陽，曹谷，湯桂梅.不同縱縫對混凝土襯砌渠道凍脹影響的模擬研究[J].中國水能及電氣化，2017（2）：60-63.