U型混凝土渠道凍脹數(shù)值模擬分析

郭軍

摘要：渠道凍脹是造成渠道襯砌特別是剛性混凝土襯砌渠道破壞的主要原因，由于其抗拉抗彎性能差，當襯砌不能適應(yīng)渠道基礎(chǔ)土的凍脹變形或不能抵抗渠道基礎(chǔ)土的凍脹力時，就會發(fā)生凍脹破壞。U 形襯砌混凝土渠道以其水力條件好、占地面積小、防滲抗凍脹性能強等優(yōu)點，在渠道建設(shè)和灌溉分區(qū)改造中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，灌溉分區(qū)渠道的地基土會反復(fù)凍融，襯砌渠道仍會受到不同程度的破壞。為了改善這種情況，在設(shè)計過程中有必要充分了解 U 形襯砌渠道傾角和厚度對降低凍脹的影響。

關(guān)鍵詞：U型混凝土;渠道凍脹;數(shù)值模擬

一、U型混凝土渠道凍脹概述

渠道襯砌是灌區(qū)灌溉渠道的主要組成部分。在甘肅定西地區(qū)，由于凍融循環(huán)的影響，許多已建渠道襯砌受到不同程度的破壞，不僅增加了運行難度和維護難度，影響了工程的正常運行，而且影響了渠道襯砌的滲漏。在定西地區(qū)，用于修復(fù)凍融循環(huán)作用造成的渠道損壞的資金不在少數(shù)。在中華人民共和國水利部“十二五”規(guī)劃期間，渠道襯砌按計劃將在季節(jié)性地表地區(qū)修建。防治渠道襯砌偏鼓問題有待進一步研究。特別值得注意的是季節(jié)性凍土地區(qū)分布的變化以及防凍襯砌結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)襯砌結(jié)構(gòu)的特點差異分析。

通過渠道防滲工程的建設(shè)，渠系水資源利用系數(shù)得到了很大的提高。還應(yīng)當指出，所有這些防滲工程都受到不同程度的破壞，50% 的現(xiàn)有設(shè)施、40% 的運河系統(tǒng)建筑物和32% 的襯砌渠道受到破壞。特別是在西北季節(jié)性凍土區(qū)的定西地區(qū)，渠道襯砌的凍脹破壞較為嚴重。通過目前廣泛應(yīng)用的大型 U 形渠道的凍脹觀測試驗，收集了原型渠道冬季運行期間的各項參數(shù)，包括渠道襯砌凍脹變形、渠基土含水量、氣溫、凍結(jié)深度等試驗數(shù)據(jù)，研究了渠道混凝土襯砌的凍脹破壞機理，分析了襯砌與渠床土的相互作用，對寒冷地區(qū)渠道工程混凝土襯砌的設(shè)計與施工具有重要的指導(dǎo)意義。

工程實踐表明，季節(jié)性凍土地區(qū)的凍脹和融沉會引起渠道襯砌邊坡的失穩(wěn)破壞。在過去的幾十年中，已經(jīng)發(fā)展了大量的技術(shù)，可以用來保護渠道線路免受凍脹破壞和融沉。通常，這些技術(shù)可以分為兩類： （1）傳統(tǒng)的渠道結(jié)構(gòu)為無襯砌渠道，（2）一種新型渠道襯砌結(jié)構(gòu)，利用天然或人工材料的熱特性來防止凍脹破壞。研究結(jié)果表明，在季節(jié)性凍土條件下，防止渠道襯砌凍脹的工程措施是可行的。

二、U型混凝土渠道凍脹數(shù)值模擬分析

在季節(jié)性凍土地區(qū)，由于凍融循環(huán)作用，渠道襯砌可能受到嚴重破壞，可能導(dǎo)致襯砌穩(wěn)定性下降。在正溫度梯度的影響下，凍融循環(huán)過程將熱量和土壤水分重新分配到表面。季節(jié)性凍土區(qū)土壤的性狀受溫度的影響很大，因此，地熱狀況分析在許多科學(xué)問題中具有重要意義。季節(jié)性凍土地區(qū)渠道襯砌結(jié)構(gòu)的損傷問題是一個復(fù)雜的熱傳輸和潮流相互作用問題。一般來說，負溫度、易凍土和土壤含水量的存在都會引起土體的凍脹。新型渠道襯砌結(jié)構(gòu)具有排水效果好、防浪能力強、熱導(dǎo)率低等優(yōu)點，經(jīng)濟實用。因此，它提供了水系統(tǒng)安全和環(huán)境保護。我們用數(shù)值模型分析了兩種襯砌體系。基于熱傳輸和潮流傳輸理論，綜合分析土壤凍結(jié)必須考慮熱傳輸和潮流模型的二維耦合系統(tǒng)。

根據(jù)渠道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)格，渠道襯砌層主要由粘土和粉砂壤土組成，進而可以確定不同的計算域，本文忽略了遮陽坡的影響。對河灌區(qū)進行了長期的溫度觀測，得到了灌區(qū)不同表面溫度的變化方程。利用航空站的氣象信息，通過正弦函數(shù)的回歸分析，我們可以將航道表面的上界溫度降低到下面的正弦函數(shù)。根據(jù)附著層原理，我們得到了地面的年平均溫度。本文所建立的模型是基于以下的基本假設(shè)： 土介質(zhì)在潮流回流方面是不變形的，即固結(jié)是可以忽略的。水分在凍結(jié)區(qū)和非凍結(jié)區(qū)的遷移僅以液態(tài)水的形式發(fā)生，因此氣相和蒸汽遷移對凈水遷移的影響很小，鹽排斥作用可以忽略不計，土壤顆粒的容積在凍結(jié)過程中保持不變。因此，具有相同初始水分含量和密度的土壤顆粒是各向同性的，在凍結(jié)或未凍結(jié)地區(qū)的體積熱容或熱導(dǎo)率沒有變化。土壤冰點在荷載作用下的下降。

在本文的U型混凝土渠道凍脹情況分析過程中，設(shè)計方案如下，將復(fù)合土工膜置于0.2 m 的基層底部，然后在0-0.2 m 的基層底部用壓路機壓實粘土，第1部分是混凝土板、砂礫石層、聚合物——聚乙烯保溫板和復(fù)合土工膜的組合?；炷涟搴?.08 m，砂礫石層厚0.34 m，聚苯乙烯保溫板和復(fù)合土工膜總厚0.08 m。第一部分的材料特性被認為是計算模型的砂礫石，第一部分厚0.5米。第二層是粘土，第二層厚4.5米。第三層為粉質(zhì)壤土，第三層為9.0 m。結(jié)合前期的溫度分析結(jié)果能夠進一步分析得出渠底最低溫度為-2 c，即渠底最低溫度為-0.08 m，最低溫度為-2°c。最高溫度為12°c。

針對引起凍脹的三個因素： 土壤、水分和溫度，可采取防凍脹措施。土壤水分條件對渠道凍脹影響很大。新型渠道襯砌結(jié)構(gòu)由混凝土板、聚苯乙烯保溫板、砂礫層和復(fù)合土工膜組成?；炷涟灞憩F(xiàn)出低滲透性。本實用新型熱導(dǎo)率低、密度低、成本低，能有效防止空氣與土壤之間的熱交換。由于渠道斷面變形分布不均勻而引起的凍脹，使渠道襯砌經(jīng)常受到破壞。由于砂礫是粗粒物質(zhì)，不會引起凍脹。從而防止了凍融循環(huán)過程中的不均勻沉降。砂礫石的導(dǎo)熱性能低，排水快，復(fù)合土工膜具有良好的防水性能。凍脹變形往往導(dǎo)致渠道襯砌產(chǎn)生不均勻位移，從而引起渠道襯砌開裂和不均勻變形。因此，加強排水層和結(jié)構(gòu)層、采用隔熱層和隔離層是防止凍害的措施。根據(jù)現(xiàn)場試驗資料，新型襯砌結(jié)構(gòu)總凍脹達1.98 cm，凍深約32 cm，凍脹率為6.18% 。對于傳統(tǒng)渠道襯砌結(jié)構(gòu)，總凍脹達6.4 cm，凍深約53.3 cm，傳統(tǒng)渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹率為12.01% ，總凍脹遠大于新型渠道襯砌結(jié)構(gòu)的總凍脹。

三、結(jié)束語

在此之后對兩種渠道襯砌結(jié)構(gòu)的熱狀態(tài)和邊坡溫度進行了初步分析。在同一水深處，新型渠道襯砌結(jié)構(gòu)的溫度明顯高于傳統(tǒng)渠道襯砌結(jié)構(gòu)，結(jié)果證明了新型渠道襯砌結(jié)構(gòu)是一種有效的防凍脹結(jié)構(gòu)。進一步研究能夠得出土壤含水量是影響渠道襯砌結(jié)構(gòu)抗凍脹性能的最主要參數(shù)，也是影響渠道襯砌結(jié)構(gòu)抗凍脹的主要因素。在傳統(tǒng)渠道襯砌結(jié)構(gòu)的表面下，水分含量只發(fā)生了輕微的變化。但在新型渠道襯砌結(jié)構(gòu)下，水分在不同深度變化顯著。結(jié)果表明，新型渠道襯砌結(jié)構(gòu)能防止水體向下滲漏，排水良好，保溫效果好，并能切斷地基水分的遷移。因此，傳統(tǒng)渠道襯砌結(jié)構(gòu)在一年中最低溫度時的凍脹大于新型渠道襯砌結(jié)構(gòu)。由此可以看出，新建的U型混凝土渠道結(jié)構(gòu)具有低滲透、防滲效果好的特點。

參考文獻

[1]高靖，田軍倉，王斌.不同U型結(jié)構(gòu)混凝土渠道凍脹數(shù)值模擬分析[J].灌溉排水學(xué)報，2015，34（4）：38-42.

[2]高鳳，婁宗科，肖旻.考慮接觸行為的U型渠道凍脹數(shù)值模擬[J].長江科學(xué)院院報，2020，37（1）：161-165.

[3]溫彤，王紅雨.整體式小U形渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞數(shù)值模擬研究[J].陜西水利，2018，（3）：231-233.