下東岸干渠渠道抗凍脹方案比選及數(shù)值模擬

丁文明

1 工程概況

下東岸干渠為新疆澤普縣葉爾羌河灌區(qū)唯一的輸水總干渠，渠道起始于葉爾羌河?xùn)|岸總分水閘，至渠道樁號(hào)32+228S277 km結(jié)束，全長(zhǎng)32.228 km。本次改建段樁號(hào)為0+000～17+651、29+684～32+228，全長(zhǎng) 20.195 km。渠道設(shè)計(jì)流量 48.0m3/s，承擔(dān)著澤普縣8個(gè)鄉(xiāng)場(chǎng)69.1萬畝灌溉面積。澤普縣下東岸干渠灌區(qū)最冷月份1月平均氣溫為-6℃，最大凍深0.69 m。根據(jù)地質(zhì)勘察判定，渠道沿線均為凍脹性土。如采用砼板等剛性材料襯砌時(shí)，需要進(jìn)行防凍脹設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)渠道斷面為梯形，渠深1.9～3.0 m，底寬3.0～7.5 m，渠道內(nèi)邊坡系數(shù) 1∶1.75，設(shè)計(jì)外邊坡系數(shù) 1∶1.5。

2 設(shè)計(jì)凍深計(jì)算

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深Zf（m），系指計(jì)算點(diǎn)基礎(chǔ)外露表面算起的凍深，可按下式計(jì)算：

式中：Zf為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深，m；δw為基礎(chǔ)上冰層厚度，m；δc為基礎(chǔ)板厚度。

根據(jù)渠道基礎(chǔ)參數(shù)計(jì)算得到基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深，見表1。將襯砌體允許法向位移值作為抗凍脹穩(wěn)定性的控制指標(biāo)，由下表計(jì)算結(jié)果可知，基礎(chǔ)下土的凍脹位移量均超出砼板襯砌結(jié)構(gòu)的允許法向位移量范圍[1-3]，渠道應(yīng)采取抗凍脹措施。

表1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)凍深計(jì)算結(jié)果

3 渠道防凍脹方案比選分析

3.1 抗凍脹方案

（1）方案一：渠基換填措施。本方案采用非凍脹性土質(zhì)置換渠床凍脹性土的抗凍脹措施，換填材料采用碎石墊層，根據(jù)要求粗粒土中粒徑小于0.075 mm的土粒重量不得大于土樣總重量的10%。換填層厚度采用換填比法計(jì)算[4]，計(jì)算結(jié)果見表2。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合本地區(qū)多年的工作經(jīng)驗(yàn)及已建工程加依托格拉克渠，其與下東岸干渠土質(zhì)、地下水埋深及渠道走向基本相同，最后確定0+000～17+651段邊坡現(xiàn)澆混凝土板下?lián)Q填厚度取為33 cm，渠底漿砌卵石下?lián)Q填厚度取20 cm。29+684～32+228段現(xiàn)澆混凝土板下?lián)Q填厚度取35 cm。

表2 換填厚度計(jì)算結(jié)果 單位：m

（2）方案二：采用聚苯乙烯泡沫塑料的保溫措施。在襯砌體下鋪設(shè)聚乙烯硬質(zhì)泡沫板，對(duì)中小型渠道工程，材料性能不低于抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范中泡沫板物理力學(xué)性能指標(biāo)，泡沫板厚度可按工程設(shè)計(jì)凍深的1/10～1/15取用。工程設(shè)計(jì)凍深為0.765 m，按規(guī)范取值保溫層厚度為5～7 cm，設(shè)計(jì)鋪筑5 cm厚的中密度苯板，苯板上墊5 cm砂漿墊層[5]。要求苯板的密度為20 kg/m3，吸水性小于80 g/m2，壓縮強(qiáng)度（壓縮50%）不小于200 kPa，彎曲強(qiáng)度不小于220 kPa，尺寸穩(wěn)定性-40℃～70℃不超過±0.5%，導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.04w/m·℃。

3.2 方案比選分析

對(duì)換填措施和保溫措施進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，做經(jīng)濟(jì)比較時(shí)取單位公里砼板下的砂礫石用量及苯板用量進(jìn)行比較，如表3所示。從表3可看出，碎石墊層抗凍脹投資與苯板保溫投資相接近，但根據(jù)喀什地區(qū)已建渠道可知，在使用苯板保溫層時(shí)，澆筑砼板時(shí)均在苯板上鋪設(shè)3～5 cm砂漿過渡層或鋪設(shè)兩布一膜復(fù)合土工布。且渠道邊坡系數(shù)均在1∶2.0以上。其原因主要是為了增大砼板與苯板之間的磨擦，以利于砼板的澆筑和防止砼板塊下滑。由此可知其單位造價(jià)明顯高于碎石墊層換填層，本工程采用砂礫石換填層作為防凍材料。

表3 防凍脹措施經(jīng)濟(jì)比較

4 混凝土襯砌渠道凍脹數(shù)值模擬

4.1 模型建立

運(yùn)用數(shù)值模擬軟件ANASY對(duì)建設(shè)混凝土襯砌渠道凍脹情況進(jìn)行模擬分析，模型建立以實(shí)際渠道參數(shù)為基礎(chǔ)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，對(duì)于關(guān)鍵部分網(wǎng)格加密處理。建立模型見圖1，為保障模擬效果的有效性，渠道模型向四周各取一定距離，渠道兩側(cè)取1.0 m，渠道基礎(chǔ)向下取2.0 m[5-7]。

圖1 有限元計(jì)算模型

4.2 渠道凍脹量分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到原渠道與新加換墊層渠道的凍脹量情況，見圖2。最大變形量發(fā)生在陰坡坡頂與坡腳位置，其主要原因是受到渠道雙向凍脹力的作用，陰坡坡頂與坡腳溫度應(yīng)力作用較大，使得這兩處變形量最大。變形曲線會(huì)在渠道填縫位置發(fā)生突變，實(shí)際情況也是如此。模擬得到陰坡、陽坡、渠道底面的凍脹量情況，陰坡凍脹量最大為71 mm，渠道底面凍脹量次之為54 mm，陽坡凍脹量最小為25 mm，與實(shí)際觀測(cè)得到的凍脹量情況基本吻合，陰坡、渠道底面與陽坡的凍脹量分別為70 mm、75 mm、18mm。

圖2 渠道凍脹量變化曲線

換填渠基之后的凍脹量主要是換填層下土壤產(chǎn)生的，陰坡、渠基和陽坡的凍脹量較原渠道有大幅度縮減，分別為3.1 mm、6.8 mm、4.1 mm，均小于規(guī)范允許的安全凍脹量10 mm。

4.3 渠道凍脹力分析

法向凍脹力是造成渠道混凝土破壞的最主要因素，而切向凍脹力影響著整個(gè)襯砌混凝土板的應(yīng)力分布情況。通過數(shù)值模擬得到渠道混凝土板的法向凍脹力和切向凍脹力分布情況，見圖3。觀察凍脹力分布曲線可知，原渠道切向凍脹力分布極為不均勻，陰坡的切向凍脹力最大為4.65 MPa，其后依次為渠底1.57 MPa、陽坡0.48 MPa；渠基換填之后，渠道混凝土襯砌板凍脹力大幅度縮減，同時(shí)分布更加均勻，渠道結(jié)構(gòu)受力情況得到改善，渠道陰坡、底面和陽坡的切向凍脹力分別為0.36MPa、0.23MPa、0.15MPa。而由法向凍脹力曲線得到，渠基換填之后，法向凍脹力同樣被大幅度削減，最大削減幅度達(dá)到96%，法向凍脹力分布亦更加均勻，凍脹量的削減和不均勻系數(shù)的改觀是凍脹力減小的主要原因。

圖3 混凝土襯砌板渠道不同方向凍脹力

綜上分析得到，換填渠基后的渠道受力情況更加合理，不均勻系數(shù)得到明顯改觀，渠道凍脹量控制在安全允許范圍之內(nèi)。

5 結(jié)語

在選擇防凍脹方案時(shí)，應(yīng)全面地對(duì)方案進(jìn)行比選分析，在確保工程施工前提下盡可能縮減經(jīng)費(fèi)投入。兩種方案均具有可行性，但苯板保溫法會(huì)增加施工任務(wù)量，相應(yīng)地會(huì)增加施工成本。工程數(shù)值模擬得到，渠基換填方案能夠有效改觀渠道凍脹量、凍脹力分布，與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合，不均勻系數(shù)得到明顯改觀，渠道凍脹量控制在安全允許范圍之內(nèi)。

[1]何武全,張紹強(qiáng),吉曄,等.季節(jié)性凍土地區(qū)渠道防滲防凍脹技術(shù)與應(yīng)用模式[J].節(jié)水灌溉,2012,(11):67-70.

[2]郭永昌,梁菊蓉.北屯灌區(qū)混凝土板襯砌渠道抗凍技術(shù)措施[J].低溫建筑技術(shù),2010,32(11):60-62.

[3]朱思遠(yuǎn),陸立國,顧靖超.寧夏引黃灌區(qū)渠道砌護(hù)破壞原因分析與防治措施研究[J].節(jié)水灌溉,2011,(04):44-47.

[4]陳雯龍.新疆混凝土防滲渠道凍脹破壞成因分析及防凍脹措施 [J].水利技術(shù)監(jiān)督,2011,19(03):45-47+55.

[5]張瀟.南水北調(diào)石津干渠工程渠道防凍脹設(shè)計(jì)[J].海河水利,2017,(02):55-57.

[6]陳廣新.渠道凍脹處理方式的選擇[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì),2009,(03):30-32.

[7]安鵬,邢義川,張愛軍,等.渠道抗凍脹墊層設(shè)計(jì)方法研究與數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué),2013,S2:257-264+271.

[8]王海麗.混凝土襯砌渠道凍脹破壞有限元模擬分析[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2015,08:27-29.