水-熱-力耦合作用下輸水渠道凍脹破壞效應(yīng)研究

巴旭慧

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 伊犁 835000)

季節(jié)性凍土區(qū)混凝土渠道在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用后，其強(qiáng)度會(huì)逐漸降低并導(dǎo)致脫落、剝離等現(xiàn)象，從而造成大范圍的渠道滲漏現(xiàn)象，嚴(yán)重降低了水資源的利用效率，因此，有必要對(duì)渠道的季節(jié)凍脹破壞效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，以便在渠道設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行過程中采取多種措施預(yù)防渠道發(fā)生相應(yīng)的變形破壞[1- 2]。

對(duì)于渠道凍脹變形破壞的研究，往往采用數(shù)值模擬分析的方式，研究表明：渠道的材料[3]、結(jié)構(gòu)形式[4- 5]以及地下水位[6]均是影響其凍脹破壞的因素，而王正中、王羿、張如意、曹興山、宋玲等人則專門針對(duì)寒冷地區(qū)輸水渠道的凍脹破壞開展了數(shù)值分析和試驗(yàn)研究，從凍脹作用機(jī)理等多種角度揭示了渠道在凍融循環(huán)作用下的破壞過程[7- 10]。新疆地區(qū)平均年降水量?jī)H為155mm，水資源極度匱乏，缺水問題已成為制約新疆地區(qū)發(fā)展的主要因素之一，對(duì)于國家“一帶一路”建設(shè)也會(huì)起到一定的阻礙，因此，跨區(qū)域調(diào)水成為推動(dòng)新疆社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要措施之一[11]。

跨區(qū)域調(diào)水工程最主要的結(jié)構(gòu)便是引水渠道，由于新疆地區(qū)屬典型的季節(jié)性凍土區(qū)，渠道凍脹破壞時(shí)常發(fā)生，對(duì)于水資源的利用效率是一個(gè)極大的浪費(fèi)，而目前關(guān)于渠道凍脹破壞的研究還主要集中于無水狀態(tài)，對(duì)于輸水過程中的凍脹破壞還比較鮮見，因此本文以新疆某引水渠道為例，對(duì)其開展了輸水過程中水-熱-力耦合作用下的凍脹破壞效應(yīng)數(shù)值模擬分析，以期為當(dāng)?shù)氐那拦こ淘O(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維提供借鑒。

1 數(shù)值模型建立

1.1 工程背景

新疆某電站引水渠結(jié)構(gòu)形式為混凝土襯砌梯形渠道，全長(zhǎng)4.2km，縱向坡度為1/1200，邊坡坡度為1∶1.7，底板寬度為3m，渠道最大深度為4.5m，混凝土襯砌厚度為0.12m。由于渠道多由混凝土和漿砌石組成，在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，由于沖刷、凍脹等作用，底板和渠道底部發(fā)生較為嚴(yán)重的變形破壞，造成引水途中滲漏水現(xiàn)象嚴(yán)重，已不能完全滿足正常的運(yùn)行條件。

1.2 計(jì)算原理及假設(shè)

首先對(duì)水熱耦合模塊進(jìn)行計(jì)算，然后將溫度場(chǎng)及滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入力學(xué)模塊并將水以荷載形式轉(zhuǎn)化為應(yīng)力預(yù)定義場(chǎng)里，得到渠道所受的相應(yīng)切向和法向應(yīng)力值。模型建立之前作出以下幾點(diǎn)假設(shè)：①研究渠道周圍凍土均為各向連續(xù)的同性體；②凍土顆粒是不可壓縮變形的；③相變溫度為一定常數(shù)，文中取值為0℃；④零度等溫線至地下水位之間的溫度變化關(guān)系呈線性關(guān)系。

1.3 模型及參數(shù)設(shè)置

本文建立的分析上下厚度為9m，左右寬度為37.5m，即均為渠道深度和渠道上口寬度的2倍，采用四邊形網(wǎng)格劃分法，將模型劃分為21334個(gè)網(wǎng)格，如圖1所示?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)取1.65W/(m·℃)，凍土的導(dǎo)熱系數(shù)取1.987W/(m·℃)，多年不變的土溫取8℃，土和混凝土均視為線彈性性質(zhì)的材料；渠道初始含水率取15%，不考慮側(cè)向位移，下邊界沒有x、y方向的位移；水深分別取值為1m、2m、3m、4m，進(jìn)行相應(yīng)的分析計(jì)算。

圖1 數(shù)值分析模型

2 結(jié)果分析

2.1 溫度場(chǎng)

對(duì)1m和4m水深下的渠道周圍應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行了對(duì)比分析，其結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出：隨著深度的增加，渠基土的溫度逐漸升高，水深越深，渠底的溫度越高；水面以下的凍土溫度大于0℃，表明水面線以下的渠基土不會(huì)發(fā)生凍結(jié)；靠近渠道邊坡和基底處，溫度梯度變化較快，遠(yuǎn)離渠道的渠基體的溫度變化較為平順且近似呈直線，部分渠堤土和渠坡板下土與大氣直接相接，受大氣負(fù)溫影響，會(huì)發(fā)生不均勻凍脹現(xiàn)象；水深對(duì)于渠道溫度的影響主要集中于水面線以上及以下部分區(qū)域，水深越深，渠道周圍土體的正溫區(qū)域面積越大，負(fù)溫區(qū)域面積越小，表明在深水條件下可以減小渠道襯砌呈及周邊土體凍脹作用的發(fā)生。

圖2 渠道周邊溫度場(chǎng)變化分析

2.2 變形場(chǎng)

圖3 渠道周邊變形場(chǎng)變化分析

同理對(duì)1m和4m水深下的渠道變形進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以對(duì)比得出：在1m水深下，渠道的最大變形位置位于渠道的邊坡坡頂處，而當(dāng)水深較深時(shí)，渠道的最大變形位置位于渠道底部，這是因?yàn)榍雷冃问窃趦雒涀饔?、襯砌自重以及水荷載作用共同影響下產(chǎn)生的，當(dāng)水深越深時(shí)，渠道底部的凍脹作用雖然有所減弱，但是水荷載作用卻在增加，從而使得渠道底部的變形增大。進(jìn)一步對(duì)不同水深下渠坡頂?shù)膬雒涀冃瘟窟M(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到凍脹量隨水深的變化情況如圖4所示。從圖中可以看到：隨著水深的逐漸增加，渠坡頂?shù)膬雒涀冃瘟吭叫?，水深較淺時(shí)，渠基體的凍脹變形僅受到渠道邊坡板自重的影響和約束，而隨著水深的增加，水荷載的作用也逐漸在增大，渠基體的變形不僅受自重應(yīng)力的約束影響，還受到水荷載的約束作用，因此使得渠道邊坡頂部的凍脹變形量減小，這也符合一般規(guī)律和常識(shí)。

圖4 渠坡頂凍脹變形量隨水深變化

2.3 應(yīng)力場(chǎng)

在冬季運(yùn)行過程中，渠道內(nèi)有水流通過，水面以上部位為凍土，而水面以下仍為非凍土區(qū)，故而凍脹力僅在水面以上部位的渠基土中產(chǎn)生，而在水面下的渠基土不會(huì)有凍脹力產(chǎn)生，在凍脹作用下邊坡板不同相對(duì)位置處正截面的上下邊緣的應(yīng)力變化如圖5所示。從圖5中可以看出：水深不同，拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的區(qū)域是不同的，隨著水深的增加，拉應(yīng)力的區(qū)域變小(即凍脹)，而壓應(yīng)力的區(qū)域逐漸增大(即未受凍脹)；不同水位下，凍脹力的應(yīng)力值變化并明顯，相差不大，而壓應(yīng)力卻隨水深增加而增大，且相對(duì)位置越深，值越大，這是因?yàn)槭芡馏w和水荷載自重應(yīng)力的影響，水越深，自重應(yīng)力越大。

圖5 正應(yīng)力變化特征

對(duì)同一水深截面上下邊緣處的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。從圖中可以看到：渠道上下邊緣處的正應(yīng)力值基本相當(dāng)，相差不大，由此可以說明：在輸水情況下，渠道邊坡混凝土板的凍脹力主要為切向應(yīng)力，法向應(yīng)力的影響相對(duì)較小。

圖6 相同水深上下邊緣正應(yīng)力對(duì)比

3 結(jié)論與建議

以新疆某電站引水渠道為工程背景，采用數(shù)值模擬分析的方法，對(duì)不同水深下的渠道凍脹破壞進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明：為了在季節(jié)性凍土區(qū)減小渠道的凍脹破壞，應(yīng)該盡可能增加渠道水深，在設(shè)計(jì)渠道斷面時(shí)，應(yīng)盡可能減小渠道底寬，這有利于提高梯形混凝土渠道的防凍脹破壞能力。研究成果可為寒區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)的渠道設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維提供借鑒。