季節(jié)性凍土區(qū)梯形襯砌渠道改擴(kuò)建基土置換的分析研究

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110003)

1 工程簡介

西拉木倫河一支渠位于洪沖積平原區(qū)，系改擴(kuò)建的梯形斷面混凝土防滲渠，全程1.20km，年均設(shè)計(jì)引水3300萬m3，設(shè)計(jì)流量2.70m3/s，加大設(shè)計(jì)流量3.50m3/s。該改建工程選用梯形斷面，混凝土預(yù)制板以及塑膜雙防滲構(gòu)造，塑膜選用0.30mm厚黑色聚乙烯膜，鋪設(shè)于混凝土板下，膜下分別鋪設(shè)25～30cm厚風(fēng)積沙填層。渠道設(shè)計(jì)簡圖見圖1。

圖1 渠道設(shè)計(jì)簡圖(單位：cm)

工程區(qū)深度15m內(nèi)基本為粉砂土、粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土以及黏土，其中粉質(zhì)黏土較為密實(shí)，沿線沒有濕陷性黃土。該區(qū)地下水埋深較淺，基本含水層在80～130m之間，潛水位大于2.00m，含水層基本以細(xì)砂和中砂為主，滲透常數(shù)在5.70～8.20m/d之間，富水性強(qiáng)，水力坡度0.78%～1.29%。該區(qū)屬陸地嚴(yán)寒區(qū)，冬季嚴(yán)寒，春秋季短，夏季炎熱，光照充足，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，多年平均氣溫6.70℃；最冷月平均氣溫-17.20℃，最熱月平均氣溫25.20℃。

2 有限元建模

參考該工程地質(zhì)特點(diǎn)、地下水埋深以及渠道規(guī)模，邊坡以50%基土置換，渠底以70%基土置換，理論基土置換厚度在85～115cm。本研究選擇無基土置換及基土置換80cm、70cm、60cm、50cm、40cm和30cm實(shí)施建模分析。

移位載荷邊界條件是，下邊界受到X軸和Y軸的雙向約朿，Ux=0，Uy=0，凍土兩側(cè)受到來自水平向的約束，Ux=0，上邊界凍脹自由，不受約束。溫度載荷條件取地區(qū)最冷月的平均溫度，即陽坡取-18℃，渠底取-20℃，陰坡取-22.60℃，下邊界則取3℃。混凝土指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 混凝土指標(biāo)參數(shù)

在本研究中，渠基凍土與混凝土襯砌板當(dāng)作同一整體看待，熱解析單元的類型選用plane35。選用軟件自動和人工控制結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)有限元網(wǎng)格劃分。無基土置換模型和有限元網(wǎng)絡(luò)模型見圖2和圖3。

圖2 無基土置換模型

圖3 有限元網(wǎng)絡(luò)模型

3 有限元運(yùn)算結(jié)果及分析

3.1 溫度場解析

對各邊界施加對應(yīng)溫度載荷之后實(shí)施第一步穩(wěn)定狀態(tài)熱解析，求解可得溫度場分布情況。

比對圖4和圖5可知，無基土置換與存在基土置換的渠道溫度場分布狀態(tài)基本一致，可見溫度場的分布狀態(tài)基本不受基土置換措施的影響。

圖4 基于無基土置換的溫度場狀態(tài)

圖5 基于30cm基土置換的溫度場狀態(tài)

3.2 移位場解析

熱解析結(jié)束后，轉(zhuǎn)換單元類型為構(gòu)造靜力學(xué)解析，加載移位邊界條件，把熱解析結(jié)果也當(dāng)作載荷加載到模型，通過系統(tǒng)運(yùn)算可獲得渠道應(yīng)力場狀態(tài)和移位場狀態(tài)。

由圖6～圖9可以看到，渠道的水平移位量在邊坡板內(nèi)部最大，與客觀渠道的破壞方式相符，邊坡板中部的破壞最為嚴(yán)重。無基土置換渠道的水平移位量則演變較大，而混凝土渠道實(shí)施基土置換后的水平移位量則較為平均，基土置換后能夠有效預(yù)防阻止渠道由于水平移位引起的破壞，因此，混凝土渠道實(shí)施基土置換處理能夠顯著削減邊坡板中部的水平移位，而對底板的影響甚微。

圖6 基于30cm基土置換的水平移位場

圖7 基于無基土置換的豎向移位場

圖8 基于30cm基土置換的豎向移位場

圖9 水平移位量

圖10～圖12揭示，渠道在實(shí)施基土置換后，不管是底板、陽坡板還是陰坡板，豎直方向的凍脹都發(fā)生了顯著的削減。凍脹力與凍結(jié)鋒面基本垂直。陽坡板凍脹量偏小于陰坡板凍脹量。可見實(shí)施基土置換處治后，有效地降低了豎直方向上的渠道凍脹破壞應(yīng)力。

圖10 基土置換前后陰坡板凍脹分布狀態(tài)

圖11 基土置換前后陽坡板凍脹分布狀態(tài)

圖12 基土置換前后底板凍脹分布狀態(tài)

3.3 應(yīng)力場解析

由圖13～圖16可以看到，混凝土渠道實(shí)施基土置換處理后，不管是豎直方向還是水平方向，其應(yīng)力都得到了削減。渠道底板兩側(cè)、陰陽兩坡坡頂均發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖13 豎直方向基于無基土置換的應(yīng)力狀態(tài)

圖14 豎直方向基于30cm基土置換的應(yīng)力狀態(tài)

圖15 豎直方向基于無基土置換的應(yīng)力狀態(tài)

圖16 豎直方向基于基土置換的應(yīng)力狀態(tài)

4 基土置換的優(yōu)化深度

通過有限元解析，得出基于基土置換深度20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm的不同基土置換深度下的凍脹量(見表2)。

表2 基于基土置換深度的不同凍脹量 單位：mm

由表2可以看到，隨著基土置換深度的加大，混凝土渠道的凍脹量漸漸降低，只是降低的幅度在收窄。從前面的應(yīng)力場解析可知，梯形渠道的凍脹破壞基本出現(xiàn)在陰坡下部，當(dāng)基土置換80cm時，渠道各個部分的凍脹移位量趨于一定值，即各個部位上的移位值大致相等。因此基土置換80cm不但能夠大大降低凍脹量，還能夠避免渠道出現(xiàn)不夠均勻的沉降與抬升。因此，假如不考慮經(jīng)濟(jì)要素，理論上最優(yōu)的基土置換深度應(yīng)在80cm。

工程所在地區(qū)的平均地下水埋深為3.5m，基本凍深為1.20m，選擇有代表性的一個斷面進(jìn)行抗凍脹計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 凍深設(shè)計(jì)計(jì)算

計(jì)算所得渠床基土置換深度見表4。

表4 渠床基土置換深度計(jì)算

通常邊坡基土按50%置換，渠底按70%置換。結(jié)合已完工支渠的墊層厚度以及本地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，案例工程將渠底置換選擇為30cm，邊坡置換選擇為25～30cm。工程渠底選用8cm C20混凝土預(yù)制板砌鋪，板下填充風(fēng)積沙墊層30cm厚，邊坡鋪以6～8cm C20混凝土預(yù)制板，板下填充風(fēng)積沙墊層25～30cm厚，基本上滿足抗凍脹功能需要。

5 基土置換原材料的優(yōu)化擇取

工程所在地區(qū)的主要基土置換材料，除了砂礫石還有風(fēng)積沙(基本參數(shù)見表5)。將風(fēng)積沙各項(xiàng)參數(shù)輸入ANSYS有限元分析系統(tǒng)，將獲得的運(yùn)算結(jié)果與砂礫石的對應(yīng)計(jì)算結(jié)果互為比較(見表6)。

表5 風(fēng)積沙基本參數(shù)

表6 基于風(fēng)積沙與砂礫石置換下的凍脹比較

經(jīng)過比較能夠看到，風(fēng)積沙基土置換效果要稍好于砂礫石基土置換的效果，但二者的差距并不很大。因此在實(shí)際工程中，盡可能就近取材，兩類材料以近取之，以節(jié)省工程運(yùn)費(fèi)。

6 結(jié) 語

本文借助ANSYS專業(yè)有限元模擬分析系統(tǒng)，圍繞季節(jié)性凍土區(qū)梯形襯砌渠道的溫度場、移位場、應(yīng)力場、基土改擴(kuò)建置換的優(yōu)化深度以及原材料的優(yōu)化擇取課題開展專題分析探究。

對季節(jié)性凍土區(qū)梯形襯砌渠道的溫度場、移位場和應(yīng)力場進(jìn)行了有限元計(jì)算分析；開展了基土不同深度置換下的同凍脹量變化計(jì)算；對基于風(fēng)積沙與砂礫石置換下的凍脹量差異進(jìn)行了比較。模擬計(jì)算證實(shí)，渠道溫度場分布基本不受有無基土置換的影響；渠道基土置換后的水平移位量較為平均，而無基土置換渠道的水平移位量則演變較大，不夠均勻，渠道基土置換能夠顯著削減邊坡板中部的水平移位，而對底板的影響甚微；混凝土渠道實(shí)施基土置換處理后，不管水平方向應(yīng)力還是豎直方向應(yīng)力都得到了削減，但無法改變陰陽兩坡坡頂、渠道底板兩側(cè)均發(fā)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象；風(fēng)積沙基土置換效果要稍好于砂礫石基土置換的效果，但二者的差距并不很大，在實(shí)際工程中，盡可能就近取材，以節(jié)省工程運(yùn)費(fèi)。