渠道聚苯乙烯保溫板防凍脹效果模擬分析

(新疆阜康市九運(yùn)街鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，新疆 阜康 831501)

新疆自治區(qū)深處我國(guó)西北內(nèi)陸，社會(huì)經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，第一產(chǎn)業(yè)在全區(qū)經(jīng)濟(jì)總量中所占比重高達(dá)35%以上。大型灌區(qū)是現(xiàn)代化集約式農(nóng)業(yè)發(fā)展的典型代表，建國(guó)以來新疆大力發(fā)展灌區(qū)建設(shè)，目前已建成各類型灌區(qū)上百個(gè)。但由于凍脹破壞和受制于當(dāng)時(shí)施工水平，目前區(qū)內(nèi)很多灌區(qū)渠道灌溉系統(tǒng)損毀嚴(yán)重，因此做好渠道防凍脹是建設(shè)灌區(qū)的重要基礎(chǔ)。而聚苯乙烯保溫板技術(shù)則是當(dāng)前常用防凍脹技術(shù)。

1 工程概況

新疆阜康市氣候干旱，降雨量少，蒸發(fā)量大，屬資源性缺水地區(qū)，境內(nèi)的白楊河灌區(qū)、三工河灌區(qū)、四工河灌區(qū)共控制灌溉面積30.71萬畝，是重要的糧食生產(chǎn)基地。但以上三個(gè)灌區(qū)均建設(shè)于上世紀(jì)60年代，配套設(shè)施不完善，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，目前存在工程老化，干支渠道凍脹等問題，引水保證率低，因此必須對(duì)主要渠系進(jìn)行改造，總長(zhǎng)度合計(jì)40 km，而防凍脹破壞則是設(shè)計(jì)優(yōu)化的重點(diǎn)問題之一。

2 渠道產(chǎn)生凍脹原因分析

當(dāng)外界環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，土體中的水分會(huì)向溫度較低區(qū)域移動(dòng)，即發(fā)生“水分遷移”。這就造成土體的低溫區(qū)域含水分越來越多，當(dāng)超過其內(nèi)部空隙容量時(shí)(不同土質(zhì)其空隙率不同)，就會(huì)發(fā)生凍脹現(xiàn)象。由此可知發(fā)生凍脹需同時(shí)具備三個(gè)條件：溫度、水分、土質(zhì)[1]。

2.1 溫度

凍土對(duì)溫度變化非常敏感，產(chǎn)生凍脹的前提就是溫度低于0℃。凍土體中水分遷移速度、凍脹性強(qiáng)弱均直接受溫度影響，存在溫度梯度誘導(dǎo)是水分遷移的動(dòng)力，梯度越明顯水分遷移越快。新疆大部分地區(qū)屬于季節(jié)性凍土，在12月份-2月份，阜康市多年平均溫度在-15℃左右，凍脹時(shí)間持續(xù)90 d左右，凍脹現(xiàn)象嚴(yán)重。

2.2 水分

土體中存在的液態(tài)水可分為重力水、結(jié)合水、細(xì)毛水三類，其中一部分水附著于土粒表面，這部分水之間存在較大分子間力，所以即使在溫度較低環(huán)境下也不會(huì)凍結(jié)[2]。如果土體中的水含量遠(yuǎn)大于土粒表面所能附著的總水量，則多余的水分在溫度較低情況下就會(huì)發(fā)生凍結(jié)。此外，若土體有水源補(bǔ)給，水分遷移路徑短，則出現(xiàn)的凍脹量也往往較大。

2.3 土質(zhì)

土質(zhì)的粒度成分、礦物成分、密實(shí)度三大指標(biāo)影響著凍脹量及凍深，經(jīng)研究表明：(1)土質(zhì)粒徑越小，總表面積越大，發(fā)生凍脹現(xiàn)象越明顯；(2)礦物成分(石英、云母、長(zhǎng)石等)含量越高，越容易發(fā)生凍脹；(3)在飽和度一定時(shí)，土體的密實(shí)度越大，其顆粒總數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)越大，孔隙率越小，凍結(jié)速率越大[3]。下表1列出了幾類土質(zhì)的凍脹系數(shù)，可供參考。項(xiàng)目區(qū)主要分布土壤類型為粉細(xì)砂、粉土，粘性土，凍脹系數(shù)在1.2左右。

表1 不同類型土的凍脹系數(shù)Ψ

3 聚苯乙烯保溫板防凍脹效果模擬分析

目前，渠道防凍脹措施主要有：改善渠基土質(zhì)(換填法)、改善隔熱條件(增加隔熱層)、改善渠道受力條件(加厚襯砌結(jié)構(gòu))等措施[4]，其中以改善隔熱條件措施最為簡(jiǎn)單和顯著，因此阜康市三大灌區(qū)渠道防凍脹改造采用增設(shè)“聚苯乙烯保溫板”的防凍脹措施。下面通過數(shù)值模擬分析其作用效果是否滿足本項(xiàng)目的使用要求。

3.1 渠道模型的建立

阜康市三大灌區(qū)主干渠土質(zhì)均為粉質(zhì)壤土，經(jīng)測(cè)定屬?gòu)?qiáng)凍脹性土質(zhì)，凍脹參數(shù)見表2所示。最初灌區(qū)干渠采用梯形斷面，但現(xiàn)在已經(jīng)很少使用，考慮到施工簡(jiǎn)單，在此選擇弧底坡腳梯形渠道作為新干渠施工方案(見圖1)。

表2 阜康市白楊河、三工河、四工河灌區(qū)渠基土凍脹參數(shù)

圖1 干渠斷面示意圖(單位：cm)

本項(xiàng)目采用ANSYS有限元分析軟件來模擬在增設(shè)不同厚度聚苯乙烯保溫板情況下，渠道混凝土襯砌的溫度變化[5]，共建立不同模型5個(gè)，詳見下表2，模擬深度為地面以下6.0 m。將土體和渠道看作一整體，模型共劃分為223個(gè)單元，每個(gè)單元再細(xì)分為8個(gè)塊體，完成有限單元?jiǎng)澐帧?/p>

表3 本項(xiàng)目5個(gè)模擬模型 cm

3.2 凍脹模擬結(jié)果分析

3.2.1 位移場(chǎng)模擬結(jié)果分析

測(cè)定模型位移變化可以側(cè)面反映其凍脹量數(shù)值，圖2中虛線是未發(fā)生凍脹時(shí)的位置，實(shí)線是發(fā)生凍脹位移后的位置，其中圖中左側(cè)為陰坡位置，右側(cè)為陽坡位置。

圖2 模型1發(fā)生凍脹前后的干渠位置

由圖2可知：在不加任何厚度聚苯乙烯保溫板的情況下，干渠陰坡、陽坡、渠底三面均發(fā)生大幅度位移，尤其是渠底，發(fā)生了明顯鼓起。在這種情況下干渠襯砌結(jié)構(gòu)必然會(huì)發(fā)生大規(guī)模龜裂。

圖3 模型2發(fā)生凍脹前后的干渠位置

由圖3可知：干渠三面加入厚度均為6 cm聚苯乙烯保溫板后，陽面和渠底的位移量顯著降低，降低幅度可達(dá)50%以上，陰坡降幅較小，位移量較之無保溫板沒有明顯變化，也會(huì)發(fā)生龜裂現(xiàn)象。

圖4 模型3發(fā)生凍脹前后的干渠位置

由圖4可知：干渠三面加入厚度均為8 cm聚苯乙烯保溫板后，陽面和渠底的位移量已經(jīng)降至很低數(shù)值，不會(huì)有龜裂危險(xiǎn)，而陰坡上部位移量較大，但由于靠近地表，凍脹量無法避免，除非將一定范圍土質(zhì)進(jìn)行換填處理。

圖5 模型4發(fā)生凍脹前后的干渠位置

由圖5可知：干渠三面加入厚度均為10 cm聚苯乙烯保溫板后，干渠三面位移量變化和模型3幾乎一致，模型5的模擬結(jié)果也是如此(忽略不計(jì))。由此可得：在阜康市灌區(qū)干渠防凍脹設(shè)計(jì)中，聚苯乙烯保溫板最優(yōu)厚度為8 cm，若小于此值，渠道陰坡依然產(chǎn)生較大位移量；若大于此值，防凍脹效果不明顯，經(jīng)濟(jì)性較差。

3.2.2 脆弱點(diǎn)凍脹模擬結(jié)果分析

經(jīng)過眾多學(xué)者總結(jié)大量實(shí)例，最終明確渠道易破壞脆弱點(diǎn)分別是：陰、陽坡頂點(diǎn)、靠近渠底1/3坡長(zhǎng)處、坡腳處、渠底中心等7處[6]。以這些脆弱點(diǎn)為研究對(duì)象，分析各個(gè)模型襯砌面的凍脹量位移(藍(lán)色和紫色曲線分別代表模型1和2)。

(1)陰坡頂點(diǎn)處各模型凍脹量

圖6 陰坡頂點(diǎn)處各模型凍脹量曲線圖

由圖6可知：模型1和2陰坡頂點(diǎn)處的凍脹量較大，最高值均達(dá)到11 cm，說明保溫板厚度為6 cm時(shí)幾乎沒什么作用；而模型3-5凍脹量曲線高度重合，說明當(dāng)保溫板厚度達(dá)到8 cm后，無需再通過增厚保溫板來降低凍脹量。陰坡頂點(diǎn)處凍脹量最高達(dá)到4.2 cm，龜裂危險(xiǎn)性較低，一般無需處理。

(2)陽坡1/3處各模型凍脹量

圖7 陽坡1/3處各模型凍脹量曲線圖

圖7的結(jié)果和圖6一致，只是陽坡1/3處的最大凍脹量較小，這和所處位置有關(guān)。由此從多個(gè)結(jié)果說明阜康市灌區(qū)干渠建設(shè)時(shí)，防凍脹措施采用“聚苯乙烯保溫板”時(shí)，設(shè)計(jì)厚度8 cm即可，若有必要，可將重要干渠段坡頂一定范圍土質(zhì)進(jìn)行換填處理。

4 結(jié)語

引水渠道是構(gòu)成灌區(qū)的基礎(chǔ)，在水資源匱乏的新疆地區(qū)，引水利用率是評(píng)價(jià)渠道作用的重要指標(biāo)之一，聚苯乙烯保溫板是渠道建設(shè)最常用的防凍脹措施之一，為保證其經(jīng)濟(jì)性，必須要對(duì)保溫板厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，杜絕依靠增加板厚來提高防凍效果。阜康市地區(qū)干渠防凍脹保溫板最佳厚度為8 cm，可結(jié)合換填法對(duì)渠基進(jìn)行處理。