小型水庫(kù)放水涵洞襯砌保溫層設(shè)置數(shù)值模擬研究

張憲南

(桓仁滿(mǎn)族自治縣農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，遼寧 桓仁 117200)

1 工程背景

榮興水庫(kù)位于遼寧省盤(pán)錦市最南端大洼縣榮興鄉(xiāng)境內(nèi)，屬于大遼河水系的平原型水庫(kù)，水庫(kù)海拔為5.05m，系小型水庫(kù)，正常蓄水庫(kù)容為900萬(wàn)m3。水庫(kù)的主要功能為農(nóng)田灌溉和水產(chǎn)養(yǎng)殖。水庫(kù)大壩為均質(zhì)土壩，軸線(xiàn)為直線(xiàn)，基本呈東西走向。溢洪道位于大壩的左側(cè)，為開(kāi)敞式寬頂堰設(shè)計(jì)，堰頂凈寬為12m。放水洞位于大壩左側(cè)為馬蹄型斷面設(shè)計(jì)，斷面尺寸為2.6m×3.2m。由于水庫(kù)建成時(shí)間較久，且前期除險(xiǎn)加固施工中沒(méi)有對(duì)放水洞進(jìn)行整修，洞壁存在局部滲漏現(xiàn)象，亟待進(jìn)行除險(xiǎn)加固。根據(jù)放水洞存在的問(wèn)題，擬采用洞內(nèi)噴錨襯砌的方式進(jìn)行加固處理。由于東北地區(qū)冬季氣溫較低，且放水洞并不經(jīng)常使用，其冬季的溫度變化造成的襯砌結(jié)構(gòu)熱交換，會(huì)導(dǎo)致周邊巖土體和襯砌結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和水分場(chǎng)的改變。一旦低于凍結(jié)溫度，周邊土體就會(huì)發(fā)生凍脹變形和應(yīng)力，一旦超出襯砌結(jié)構(gòu)的承受極限，就會(huì)造成開(kāi)裂和破壞?；诖?，展開(kāi)此類(lèi)結(jié)構(gòu)的凍害防治措施就顯得十分必要。

2 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 模型原理

在當(dāng)前關(guān)于隧道等地下工程凍脹力研究領(lǐng)域，一般利用彈性力學(xué)的方法獲得相應(yīng)的計(jì)算公式，這種計(jì)算方法雖然具有自身的適用性，但由于基礎(chǔ)是很多理想性的假設(shè)，因此并不能準(zhǔn)確反映隧道發(fā)生凍脹時(shí)的受力和變形的真實(shí)情況。因此，在此次模擬研究中選用ANSYS有限元軟件和地層-結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析。在模擬分析過(guò)程中采用間接耦合的方法進(jìn)行熱和結(jié)構(gòu)的耦合分析。具體而言，將模型的熱分析單元PLANE55轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析單元PLANE42，放水洞的襯砌結(jié)構(gòu)采用彈性材料，凍結(jié)圈內(nèi)外的土體采用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則進(jìn)行凍脹過(guò)程中的受力和位移的計(jì)算。

2.2 模型的建立

此次研究利用ANSYS大型通用有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建。首先，建立熱力耦合模型，并對(duì)耦合過(guò)程中的邊界條件進(jìn)行模擬，并將模擬分析結(jié)果轉(zhuǎn)化為荷載作用于模型結(jié)構(gòu)。由于背景工程的放水洞埋藏深度不大，模擬計(jì)算過(guò)程中不考慮土體和襯砌結(jié)構(gòu)的自重，僅考慮放水洞周?chē)馏w的凍脹力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的作用。因此，放水洞的埋深對(duì)計(jì)算結(jié)果并沒(méi)有實(shí)際影響。但是，考慮到凍脹力的模擬計(jì)算范圍相對(duì)較大，在模擬計(jì)算過(guò)程中模型在X軸方向取30m，在Y軸方向取20m建立數(shù)值計(jì)算模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)土體凍結(jié)和襯砌部分進(jìn)行適當(dāng)加密，最終獲得10247個(gè)網(wǎng)格單元，11573個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，有限元模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.3 邊界條件與計(jì)算參數(shù)

在利用模型進(jìn)行熱分析過(guò)程中，將圍巖的初始溫度設(shè)定為5℃，上下邊界為絕熱邊界條件。結(jié)合工程實(shí)際和計(jì)算的便捷性，不考慮地?zé)崽荻群偷氐谉崃鞯挠绊懀缓髮?duì)放水洞的襯砌施加溫度荷載。在模型的熱力耦合分析過(guò)程中，采用位移邊界條件，模型的X軸方向?yàn)樽笥疫吔绶ㄏ蛭灰萍s束，模型的Y軸方向?yàn)樯舷逻吔绶ㄏ蛭灰萍s束。

在模型計(jì)算過(guò)程中，由于充分考慮熱-結(jié)構(gòu)-滲流3場(chǎng)耦合的凍脹力模擬計(jì)算太過(guò)復(fù)雜，因此研究中以?xún)鼋Y(jié)土體的參數(shù)變化表達(dá)水冰相變的影響。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，研究中不考慮溫度對(duì)材料參數(shù)的影響。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)勘查以及相關(guān)文獻(xiàn)資料，此次模擬計(jì)算過(guò)程中采用的模型材料物理和熱學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 模型材料計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同保溫材料的對(duì)比分析

本研究選擇隧道建設(shè)過(guò)程常見(jiàn)的6種保溫層材料，分別是聚氨酯板、聚苯乙烯泡沫板、福利凱板、酚醛泡沫板、巖棉、硅酸鋁纖維。利用前文構(gòu)建的有限元模型，將保溫層設(shè)置于襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面，保溫層厚度為3cm，在這2個(gè)條件不變的情況下，對(duì)放水洞周邊土體的凍結(jié)深度進(jìn)行模擬計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果中提取拱腰部位的凍結(jié)深度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同保溫層材料凍結(jié)深度和材料成本 單位：m

由表2中的計(jì)算結(jié)果可以看出，不同材料的保溫效果存在明顯的差異。其中，影響最小的拱腳部位，各種保溫材料的凍結(jié)深度相差不大，基本都在0.6m左右。究其原因，由于除險(xiǎn)加固的襯砌結(jié)構(gòu)施工主要在拱腰和拱頂部位，拱腳和底板部位沒(méi)有鋪設(shè)保溫層，因此保溫層對(duì)拱腳部位凍結(jié)深度的影響較小。從拱腰和拱頂?shù)膬錾钣?jì)算結(jié)果來(lái)看，保溫材料對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較為顯著，且變化規(guī)律相對(duì)比較一致。其中，保溫效果最好的是聚氨酯板，其拱腰和拱頂部位的凍結(jié)深度分別為0.13和0.24m，與其余各種材料的計(jì)算結(jié)果相比明顯偏小。其次是巖棉，其拱腰和拱頂部位的凍結(jié)深度分別為0.32和0.43m，再次是福利凱板，其拱腰和拱頂部位的凍結(jié)深度分別為0.42和0.57m，這3種材料均可以獲得較為理想的保溫效果，其余3種材料的凍結(jié)深度相對(duì)較大，保溫效果不理想。

在工程施工過(guò)程中，成本也是影響工程設(shè)計(jì)和材料選擇的重要因素?；诖耍狙芯拷?jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，獲得當(dāng)前市場(chǎng)上各種保溫材料的平均價(jià)格，見(jiàn)表3。

由表3中的數(shù)據(jù)可以看出，材料價(jià)格最具優(yōu)勢(shì)的硅酸鋁纖維，其次是巖棉和聚苯乙烯泡沫板。聚氨酯板、福利凱板和酚醛泡沫板的單價(jià)較高。結(jié)合保溫效果來(lái)看，硅酸鋁纖維的單價(jià)最低，但是保溫效果不理想，聚氨酯板和福利凱板的保溫效果相對(duì)較好，但是材料成本顯著偏高。綜合考慮保溫效果和工程的經(jīng)濟(jì)性，建議采用巖棉作為工程建設(shè)中的保溫層材料。

表3 不同保溫材料的市場(chǎng)平均價(jià)格 單位：元/m3

3.2 保溫層厚度

根據(jù)前文的計(jì)算結(jié)果，選擇巖棉作為保溫層材料，將保溫層設(shè)置于襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面，設(shè)計(jì)0、1、2、3、4、5、6和7cm等8種不同的保溫層厚度進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出的拱腳、拱腰和拱頂3個(gè)典型部位的凍結(jié)深度對(duì)保溫層厚度的變化曲線(xiàn)，如圖2所示。

圖2 凍結(jié)深度隨保溫層厚度變化曲線(xiàn)

由圖2可以看出，放水洞拱腳部位的凍結(jié)深度基本保持在0.6m左右不變，也就是該部位的凍結(jié)深度不會(huì)受保溫層厚度的明顯影響。從拱腰和拱頂?shù)挠?jì)算結(jié)果來(lái)看，隨著保溫層厚度的增大，周邊土體的凍結(jié)深度呈現(xiàn)出迅速減小并逐漸趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)。當(dāng)保溫層的厚度小于4cm時(shí)，凍結(jié)深度隨保溫層厚度的增加而迅速減??；當(dāng)保溫層厚度大于4cm時(shí)，凍結(jié)深度的變化基本趨于穩(wěn)定。以拱頂為例，當(dāng)保溫層厚度為4cm時(shí)，襯砌周邊土體的凍結(jié)深度為0.21m，與不設(shè)保溫層方案1.54m的凍結(jié)深度相比減小了約86.36%，取得顯著的保溫效果。當(dāng)保溫層厚度為7cm時(shí)，襯砌周邊土體的凍結(jié)深度為0.13m，與不設(shè)保溫層方案1.54m的凍結(jié)深度相比減小了約91.55%，凍結(jié)深度并沒(méi)有進(jìn)一步大幅減小。由此可見(jiàn)，在保溫層厚度為4cm的基礎(chǔ)上再增加保溫層厚度，在增強(qiáng)保溫效果方面并沒(méi)有顯著意義。考慮到計(jì)算結(jié)果和工程的經(jīng)濟(jì)性，建議在榮興水庫(kù)工程施工過(guò)程中采用保溫層厚度為4cm的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

此次研究以具體工程為背景，利用數(shù)值模擬的方法探討了襯砌保溫層設(shè)置問(wèn)題，獲得的主要結(jié)論如下。

(1)不同保溫材料的保溫效果和材料成本存在較為顯著的差異，綜合考慮工程的經(jīng)濟(jì)性和保溫效果，建議在工程設(shè)計(jì)中采用巖棉作為襯砌結(jié)構(gòu)的保溫材料。

(2)保溫層厚度也是影響保溫層保溫效果的重要因素，根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，建議采用厚度為4cm的保溫層。