渠道抗凍脹墊層設(shè)計(jì)方法研究與數(shù)值模擬

孫 杰

(河套學(xué)院，內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

0 前 言

基土的凍脹破壞是渠道受損的一個(gè)主要的原因。實(shí)際上，渠道凍脹破壞是由于基土中存在自由水和毛細(xì)水，里面的水含量在長時(shí)間寒冷低溫的作用下，非常容易凍成冰體，促使基土的體積受凍膨脹，從而導(dǎo)致了渠道受損。基于凍脹的發(fā)生需要具備三個(gè)條件：持續(xù)的低溫狀態(tài)、自由水和毛細(xì)水、土質(zhì)為非抗凍脹性土，而渠道凍脹發(fā)生的地方主要集中在灌區(qū)內(nèi)部和河流下游地帶，比如，灌區(qū)中下游的地下水位深度較淺，所以其基土的含水量較高，其含水量超過凍脹含水量標(biāo)準(zhǔn)的可能性較大，一旦受長時(shí)間零度以下的溫度影響，土中的自由水和毛細(xì)水就會(huì)發(fā)生凍脹現(xiàn)象。為了保護(hù)渠道不受凍土的凍脹傷害，一般都采用基土換填的抗凍脹措施。而采用基土換填的抗凍脹措施前，必須引入抗凍脹設(shè)計(jì)，才能確保基土換填的抗凍脹能發(fā)揮實(shí)際效果。而渠道的凍脹破壞一般都發(fā)生在北方冬季寒冷的地區(qū)，而北方地區(qū)也普遍分布河砂、砂卵石、風(fēng)積砂等粗粒土材料，所以經(jīng)常使用基土換填的抗凍方法。

渠道在工程建設(shè)時(shí)，需要以“適應(yīng)、回避、削減凍脹”的設(shè)計(jì)原則[1]，針對(duì)基土的凍脹破壞，對(duì)渠道進(jìn)行相關(guān)的抗凍脹設(shè)計(jì)，基本采用的換土墊層法，其原理是將渠道基土中的凍脹性土換成非凍脹性土，從而從地質(zhì)上根本避免凍脹現(xiàn)象的發(fā)生。然而，非凍脹性土在科學(xué)理論方面還未能發(fā)展成熟，缺乏全面的認(rèn)識(shí)和了解。在理論中，一般都認(rèn)為粗粒土中0.075 mm的重量不超過20%就是非凍脹土；而在防滲工程中，將粗粒土中0.05 mm的重量不超過6%規(guī)范非凍脹性土[2]；而凍土地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)將碎卵石、粗砂和中砂中0.075 mm重量不超過15%為非凍脹土，同時(shí)又將細(xì)砂中0.075 mm不超過重量10%規(guī)范為抗凍脹土[3]；另外朱強(qiáng)[4]將砂粒在0.05 mm，當(dāng)?shù)叵滤怀^0.5 m時(shí)，重量小于8%為非凍脹性土，而當(dāng)與水位距離大于0.5 m時(shí)，含量超過了4%就是可凍脹性土；甘肅省在非抗凍性[5]土方面也有不同的見解，將地下水位距離作為判斷的基準(zhǔn)之一，如果基土與水位的距離大于0.5 m，則非凍脹性土的砂粒含量就要小于10%，而基土與水位距離小于0.5 m時(shí)，砂礫含量不能超過5%；除此之外，日本、加拿大、俄羅斯對(duì)非凍脹性土的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)有出入。

我國在不同領(lǐng)域和不同地域?qū)Ψ莾雒浶酝恋臉?biāo)準(zhǔn)不盡相同，主要是根據(jù)其工程地域位置和建筑性能來，再結(jié)合砂礫含水量和地下水位來判斷非凍脹性土的標(biāo)準(zhǔn)，從不同地域、不同建筑和不同國家的標(biāo)準(zhǔn)也可以證實(shí)：在抗凍墊層設(shè)計(jì)時(shí)，并沒有標(biāo)準(zhǔn)且統(tǒng)一的非凍脹性土數(shù)據(jù)以供參考和設(shè)計(jì)。因此，在渠道抗凍脹墊層設(shè)計(jì)時(shí)，必須采用一定原則和方法對(duì)其進(jìn)行研究，才能保證抗凍墊層設(shè)計(jì)的有效性。下文將結(jié)合墊層抗凍機(jī)制以及毛管水土水勢理論和熱阻等效等原理，以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，對(duì)渠道抗凍脹墊層設(shè)計(jì)展開研究。

1 抗凍脹墊層設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

基土發(fā)生凍脹的三個(gè)因素：持續(xù)的低溫狀態(tài)、水含量、土有凍脹性，而抗凍脹墊層的主要工作原理就是改變墊層中凍脹發(fā)生的三個(gè)要素，從“適應(yīng)、回避、效率”三個(gè)原則出發(fā)，從而達(dá)到基土抗凍脹的目的。以下為抗凍脹墊層設(shè)計(jì)。

1)墊層材料的選擇必須是非凍脹性土，因此，一般的換填土都是粗粒土。粗粒土表現(xiàn)出吸水性弱、排水性強(qiáng)的特點(diǎn)，有利于墊層的含水量的排放，可以將墊層的含水量控制在凍脹發(fā)生水含量標(biāo)準(zhǔn)之下。

2)渠道墊層厚度和粗粒土的熱物理量直接掛鉤，而粗粒土的熱物理由于會(huì)受到其含水量和土壤密度的影響，所以在設(shè)計(jì)抗凍脹墊層時(shí)，一定要科學(xué)計(jì)算好墊層的厚度。

3)當(dāng)水分環(huán)境不變的情況下，如果粗粒土的含水量低于置換土之前，抗凍脹能力就會(huì)增強(qiáng)，襯砌板的物力受力會(huì)發(fā)生改變。

4)粗粒土在置換之后，與細(xì)粒土填充分層是會(huì)產(chǎn)生阻水效果，水的滲透率會(huì)降低。

2 抗凍脹墊層設(shè)計(jì)的要素

渠道受凍脹的破壞主要是發(fā)生在冬季，所以其發(fā)生是具有季節(jié)性的。而因?yàn)閮鐾恋貐^(qū)在冬季時(shí)有些渠道會(huì)有水運(yùn)行，而有些渠道則不會(huì)有水運(yùn)行，實(shí)則是休工狀態(tài)。因此，冬季運(yùn)行的渠道因?yàn)榍乐兴Φ谋葻崛輹?huì)帶來保溫作用，所以凍脹問題發(fā)生的相對(duì)較少一些；而休工狀態(tài)的渠道缺少了保溫作用，如果地下水位高或者水含量環(huán)境惡劣，如果墊層設(shè)計(jì)不當(dāng)，就非常容易發(fā)生凍脹問題。所以，在冬季凍土區(qū)不通水的渠道需要進(jìn)行嚴(yán)格且科學(xué)的抗凍脹墊層設(shè)計(jì)。

冬季凍土地區(qū)的水分環(huán)境都來自于大氣降、滲透水和地下水，由上文可知，因?yàn)楝F(xiàn)在并沒有統(tǒng)一的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，而水分環(huán)境也處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化，所以很難進(jìn)行定量研究。因此，本文在研究抗凍墊層設(shè)計(jì)的方法時(shí)，會(huì)將外界水分環(huán)境設(shè)計(jì)為一個(gè)模擬的狀況，將水含量設(shè)定為飽和的狀態(tài)，將最大含水量看作是最大水持量、墊層含水量也等于最大水持量，這種能夠有效規(guī)避動(dòng)態(tài)水環(huán)境對(duì)研究的困難。而抗凍墊層設(shè)計(jì)主要涉及：材料的選擇和墊層的厚度，兩者相互影響，材料的性能和重量、大小會(huì)影響墊層厚度的計(jì)算。

2.1 墊層材料的選擇

墊層為介于基層與土基之間的結(jié)構(gòu)層，在土基水穩(wěn)狀況不良時(shí)，用以改善土基的水穩(wěn)狀況，提高路面水穩(wěn)性和抗凍脹能力，并可擴(kuò)散荷載,以減少土基變形。因此，通常在土基濕、溫狀況不良時(shí)設(shè)置。墊層材料的強(qiáng)度要求不一定高，但是其水穩(wěn)定性必須要好[6]。而在渠道抗凍設(shè)計(jì)中，墊層的主要作用是控制毛細(xì)管水控制在基層和墊層之間。而粗粒土具有非凍脹性，是墊層時(shí)的材料，但墊層材料會(huì)因?yàn)榈叵滤缓秃虱h(huán)境，根據(jù)不同的狀況可以分成不同的墊層標(biāo)準(zhǔn)，從而選擇不同的墊層材料，如風(fēng)積砂、砂卵石、河砂等。

2.2 渠道抗凍脹墊層的厚度

渠道抗凍脹墊層的厚度取決于墊層材料、水分條件、等效熱阻等。首先，熱阻是反映阻止熱量傳遞能力的綜合量。熱量流過兩個(gè)相互接觸的固體的交界面時(shí)，界面本身會(huì)對(duì)熱流呈現(xiàn)出明顯的熱阻，熱阻是熱量在熱流路徑上遇到的阻力，它反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小，熱阻越大，傳熱能力越小。因此，墊層材料的各層材料的熱阻也會(huì)因?yàn)榻佑|熱阻力。而渠道凍土的熱阻會(huì)等于墊層鋪設(shè)襯砌板、墊層和凍土層熱阻的相加，公式為：

式中，Hd為凍深；Hc為襯砌板厚度；Hs為墊層厚度；Ht為墊層下凍土層厚度；λf為原始的導(dǎo)熱值；λc為襯砌板的導(dǎo)熱值；λs為墊層導(dǎo)熱值；λt為墊層下凍土層厚度導(dǎo)熱值。

墊層的厚度和凍脹深度、凍脹量、平均凍脹強(qiáng)度、土的密度等有關(guān)，所以其公式的計(jì)算必須要將以上的數(shù)值算出，才能準(zhǔn)確無誤地將墊層的厚度計(jì)算得出，以下是墊層厚度的計(jì)算公式：

3 抗凍脹墊層設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬

3.1模擬設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

首先，將渠道的狀況模擬為一個(gè)便于研究計(jì)算的環(huán)境，主要的模擬要素包括凍土、墊層、襯砌板作為模擬要素，假設(shè)為如下幾點(diǎn)：①凍土和墊層的動(dòng)力拉伸作用是同向且均勻發(fā)生的；②在凍脹計(jì)算設(shè)計(jì)墊層時(shí)，將溫度梯度影響水分環(huán)境的作用看作為零，不考慮模擬數(shù)值之內(nèi)；③只將熱傳導(dǎo)考慮在內(nèi)，并不考慮其他熱力值；④不同土壤其溫度的變化是不同的，因此，要規(guī)定相變溫度才好展開模擬計(jì)算。

3.2 數(shù)值的凍脹量分析

將實(shí)際測試的凍脹量和渠道凍結(jié)實(shí)際部位，包括陰坡、渠底、陽坡三個(gè)部位的平均溫度進(jìn)行數(shù)值模擬。因?yàn)閷⒛M數(shù)值設(shè)計(jì)成了模擬的數(shù)值，所以墊層材料的力學(xué)變形參數(shù)和現(xiàn)實(shí)狀態(tài)出入較大，因此，模擬結(jié)果肯定存在差異，如表1所示。

表1 模擬數(shù)值的凍脹量計(jì)算結(jié)果

陰坡的實(shí)測和原渠道模擬量一個(gè)為6.9 cm、一個(gè)為7.1 cm，兩者存在0.2 cm的差距；渠底實(shí)測和模擬量7.6 cm和5.4 cm，這個(gè)差距就相差比較大了；陽坡的實(shí)測和模擬量也存在差距。

但是，由表1可知，陰坡的凍脹量削減程度達(dá)到了95%；渠底的凍脹削減量則為87%；陽坡則為84%。雖然模擬與實(shí)測是存在一定的出入，但是可以在一定程度上反映一定的現(xiàn)實(shí)情況：抗凍脹墊層可以有效緩解渠道的凍脹現(xiàn)象，尤其以陰坡部位的抗凍脹效果最為明顯。

3.3 在抗凍脹墊層設(shè)計(jì)方法上的結(jié)論

墊層材料是阻擋毛細(xì)管水的上升，從而來削弱土壤的凍脹能力。因此，墊層的選擇應(yīng)當(dāng)計(jì)算好墊層下地下水位和顆粒級(jí)配；在數(shù)值模擬中，將最大持水量都看作了墊層含水量，將其認(rèn)定為飽和狀態(tài)，但在實(shí)際過程中，一定要結(jié)合等效熱阻等原理對(duì)其進(jìn)行更為科學(xué)準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)，才能有效結(jié)合工程質(zhì)量效益和工程經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一；鋪設(shè)抗凍脹墊層在陰坡部位及為有效，能夠削弱90%以上的凍脹能力；數(shù)值模擬和方法設(shè)計(jì)都是將各類條件設(shè)置為最不利的因素，所以其在現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)效果較為可靠。

4 結(jié) 論

綜上所述，渠道抗凍脹墊層對(duì)渠道抗凍脹能力具有一定的效果，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示，墊層的抗凍脹能力效果突出明顯，因此，渠道如果建設(shè)在季節(jié)性凍土地區(qū)時(shí)，一定要在之前結(jié)合多方面因素，比如水含量環(huán)境、土壤性質(zhì)、地下水位、熱導(dǎo)溫度等，對(duì)渠道抗凍墊層的材料選擇和厚度的計(jì)算一定要科學(xué)地設(shè)計(jì)好，才能發(fā)揮抗凍脹墊層保護(hù)渠道不受基土凍脹的最大效應(yīng)。

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