保溫材料在南水北調(diào)工程京石段水工混凝土防凍脹破壞中的應用研究

魏 為,鄢凱軍

(長江水利委員會 河湖保護與建設(shè)運行安全中心,武漢 430010)

0 引 言

南水北調(diào)工程是我國重要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目,其京石段水工混凝土防凍脹破壞是南水北調(diào)工程的重要問題之一[1]。隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,水資源的短缺日益凸顯,南水北調(diào)工程的建設(shè)對于緩解水資源短缺和保障經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要意義[2]。

水工混凝土防凍脹破壞問題是南水北調(diào)工程建設(shè)過程中必須解決的難題之一[3]。水工混凝土凍脹破壞主要表現(xiàn)為混凝土表面裂縫、斷裂和塌陷等現(xiàn)象[4]。裂縫和斷裂是由于混凝土材料的抗凍性能差,低溫下易受破壞,導致混凝土結(jié)構(gòu)變形、開裂,影響水工混凝土的正常使用[5]。塌陷是由于低溫下水分蒸發(fā),體積膨脹而導致的混凝土塌陷。目前,對于水工混凝土防凍脹破壞問題的研究主要集中在材料和施工工藝方面[6]。由于水工混凝土結(jié)構(gòu)特殊的結(jié)構(gòu)形式和受力特點,保溫材料在水工混凝土防凍脹破壞中具有重要作用。保溫材料可以有效減少外界溫度對混凝土內(nèi)部水分的影響,防止水分蒸發(fā)和體積膨脹導致的結(jié)構(gòu)變形和開裂等現(xiàn)象[7]。因此,保溫材料在南水北調(diào)工程京石段水工混凝土防凍脹破壞中具有重要作用。

本文旨在研究保溫材料在南水北調(diào)工程京石段水工混凝土防凍脹破壞中的應用,研究成果可為解決南水北調(diào)工程京石段水工混凝土防凍脹破壞問題提供理論支持和實踐經(jīng)驗。

1 保溫材料在京石段水工混凝土防凍脹破壞中的應用研究

1.1 南水北調(diào)工程京石段工程概況

南水北調(diào)中線工程起點為河南省淅川縣,經(jīng)過北京、天津、河北、河南兩省兩市,穿越海河、黃河、淮河、長江,全長共1 432km。從淅川縣陶岔南陽渠首至北拒馬河中支流,路線全長1 197km,河道長度1 103km,建筑長度94公km[8]。其中,各種水利建筑共2 200余座,包括61個控制閘、97個分水口門、54個退水閘以及64個節(jié)制閘。南水北調(diào)京石段工程是南水北調(diào)工程中最主要的一條,它從河北、河南兩省交界處開始,沿著京廣鐵路向北,經(jīng)過新華區(qū)和正定、保定市等25個縣(市、區(qū)),位于北京市北部的拒馬河中支以南。

該工程北京段由北拒馬河中段的南岸開始,經(jīng)過房山區(qū),穿越永定河,經(jīng)過豐臺區(qū),沿著西四環(huán)向北延伸,最終到達團城湖蓄水池。京石段渠長228.9km,南起古運河節(jié)制閘,北止于惠南莊抽水站。在這條線路上,有1座泵站和14道節(jié)制閘,將河道分成14個渠池。在這14個渠池中,還設(shè)有8座控制閘、12座退水閘、13座分水閘、11座暗渠隧洞、3座渡槽、17座倒虹吸。

1.2 渠道混凝土動脹破壞研究

渠道凍脹破壞指渠基土凍脹和融沉對混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的破壞,主要有4種形式:剝蝕、凍脹鼓起裂縫、凍脹鼓起臺階和凍脹鼓起滑坡,破壞規(guī)律多是沿縱向裂縫按折裂→錯位→滑坍而破壞[9]。首先,當渠基土達到一定溫度后,凍結(jié)層便會被破壞,渠基土層被剝蝕,形成裂縫。凍結(jié)層中的冰晶體也會因溫度的影響而發(fā)生變化,進而導致凍脹鼓起。另外,當渠基土層在負溫度作用下形成凍結(jié)層時,由于毛細力的作用,渠基土層中的水分會不斷向凍結(jié)層中的冰晶體遷移與聚集,導致凍脹鼓起。最后,當渠基土層被剝蝕時,在剝蝕過程中形成裂縫;當渠基土層被凍脹鼓起時,會形成臺階;當渠基土層被凍脹鼓起時,會形成滑坡。

因此,當渠基土滿足凍脹條件時,表層的土壤在負溫作用下首先形成凍結(jié)層,由于毛細力的作用,渠基土中的水分不斷向凍結(jié)層中的冰晶體遷移與聚集,引起分凝冰層的出現(xiàn),進而導致土體凍脹。而不同的凍結(jié)鋒面上形成的冰晶體過程不同,具體見圖1。渠基土凍脹是多向性的,僅在側(cè)向相互平衡,垂直向沒有平衡,從而使襯砌結(jié)構(gòu)隆起。

圖1 不同情況下的冰晶體形成

從圖1可以看出,渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹變形是一個復雜、非線性過程,其穩(wěn)定性受到多個因素的影響,如溫度、濕度、初始含水量等。因此,在分析渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹變形過程時,應考慮多因素的綜合影響。

首先,要考慮溫度和濕度的影響。研究表明,溫度和濕度對渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹變形有著重要影響。在較高濕度下,水分含量較高,水分容易在渠道襯砌體表面形成冰核,導致襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹變形;而在較低溫度下,由于溫度較低,水分也容易在渠道襯砌體表面形成冰核,導致襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹變形。其次,要考慮初始含水量的影響,研究表明,初始含水量越大,渠基土體中自由水分層越不均勻,這種不均勻的凍脹量會引起不均勻的凍脹力。此外,還要考慮渠道襯砌體與渠道內(nèi)邊坡土體之間相互作用的影響。渠基土體凍脹過程中,由于受到襯砌體的約束,會施加給襯砌體一種力——凍脹力,這種力隨著凍脹量的增加而增大。由于渠基土體中自由水分層的不均勻分布,導致渠基土的凍脹量也將是不均勻的凍脹量引起不均勻的凍脹力。同時,還要考慮初始含水量對渠基土體凍脹變形過程的影響;還要考慮渠基土融化過程中,水分子滲透和遷移對渠道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響;也要考慮土體凍結(jié)過程中,土顆粒垂直位移造成的熱篩效應對土體性質(zhì)變化及強度降低的影響。

1.3 保溫材料在混凝土防凍脹破壞中的應用

已有工程實踐表明,在許多地區(qū)都使用了聚合物絕緣層,以緩解或消除渠基土壤的凍結(jié)深度和凍脹,但國內(nèi)尚無相關(guān)研究。目前,關(guān)于襯砌防凍脹的研究已有較多的結(jié)果[10]。對于保溫措施來說,主要是根據(jù)陰陽坡負溫不同而采用不同的保溫板厚度,而沒有考慮到混凝土襯砌與保溫板接觸熱阻(Thermal Contact Resistance,TCR)的影響,以及保溫板在渠道襯砌中鋪設(shè)的位置對其保溫效果的影響[11-12]。在保溫措施方面,主要是依據(jù)陰陽坡負溫的差異,選取不同的保溫板厚度。

本次項目的保溫材料選取聚苯乙烯板,在固態(tài)物質(zhì)界面TCR理論的基礎(chǔ)上,開展混凝土襯砌通道接觸面?zhèn)鳠岱抡娣治觥榱烁玫乩帽夭牧?研究提出一種基于聚苯乙烯板的復合隔熱襯砌結(jié)構(gòu),具體見圖2中的方法3。然后利用有限元,對常規(guī)鋪設(shè)方法下的苯系物隔熱管道進行熱力學耦合仿真,并對其抗凍脹性能進行分析。

圖2 3種不同的保溫襯砌布置方式

研究以京石段水工混凝土干渠作為原型渠道,采用圖2中的3種襯砌保溫形式進行分析計算,并通過對不同保溫襯砌形式下的襯砌板應力進行對比,得出結(jié)論。

在設(shè)計復合保溫襯砌時,以京石段水工混凝土干渠作為原型渠道,混凝土襯砌總厚度10cm。采用3種保溫襯砌形式時,方法1與方法2的襯砌渠道布置相同,但方法2認為混凝土襯砌與保溫板間存在空隙,計算過程中需考慮接觸熱阻。方法3的渠道保溫襯砌交錯布置形式為:陽坡上層混凝土襯砌較厚,下部兩層保溫板稍薄,兩層保溫板中間夾層混凝土也較厚。在固態(tài)物質(zhì)的界面上,通常會出現(xiàn)一些孔洞。在實際應用中,孔洞內(nèi)有空氣,會導致兩個接觸表面間產(chǎn)生不連續(xù)的溫度差ΔT。兩種固態(tài)物質(zhì)在界面上的傳熱過程非常復雜,而界面上的熱傳遞主要由界面上的真實接觸點和微小間隙內(nèi)液體的熱傳導兩部分造成。此時,固體材料的界面接觸熱阻的表達式如下:

(1)

在固體介質(zhì)中,接觸熱阻是一項非常重要的熱傳導參數(shù),直接影響著介質(zhì)間的熱傳導特性。在實際制冷過程中,由于接觸熱阻過大,導致系統(tǒng)能耗的增大。因此,為了改善制冷效率,往往采取減小接觸熱阻的方法。在隔熱領(lǐng)域,為了提高換熱效果,還需要增加接觸熱阻。目前,國外部分地區(qū)建筑外墻保溫方式主要采用“壁板-保溫板”分層排列的方式。該方式在不同的接觸面上,增大接觸面的接觸面熱阻,達到了顯著的保溫效果。

但在進行混凝土襯砌板、保溫板和渠基土壤的導熱分析時,因渠基土壤處于緩慢的凍融狀態(tài),將其轉(zhuǎn)化為二維面內(nèi)的穩(wěn)定導熱問題。固體材料間的TCR對材料間的熱傳導有一定的影響。在實際應用中,由于接觸熱阻過大,會導致系統(tǒng)能耗增大,故通常采取降低固體材料間接觸熱阻的方法。在隔熱領(lǐng)域,還需要增加固體材料的接觸熱阻。國外建筑外墻的保溫方式主要是層間保溫,這一方式可以提高外墻與外墻的接觸面熱阻,從而達到顯著的隔熱效果。本次研究中的熱傳導主要為二維平面的穩(wěn)態(tài)傳導過程,其具體表達式如下:

式中:A為凍脹區(qū)域;λx為X方向的傳導系數(shù);λy為Y方向的傳導系數(shù);T為溫度。

2 不同保溫襯砌布置方式結(jié)果分析

為了對研究提出的保溫襯砌布置方式的實際應用效果進行分析,將其與方法1和方法2的保溫襯砌方式進行效果對比。應用ABAQUS 有限元軟件,建立京石段水工混凝土干渠渠道模型,以溫度場效果、位移場效果、應力場效果作為對比指標進行對比試驗。3種不同保溫襯砌布置方式的溫度場對比結(jié)果見圖3。

圖3 3種不同保溫襯砌布置方式的溫度場對比結(jié)果

由圖3(a)可以看出,隨著溫度的升高,方法2和方法3的保溫襯砌布置方式沿襯砌厚度均呈上升狀態(tài)。且方法3在-1℃時有最大沿襯砌厚度數(shù)值,高于方法2擁有最大沿襯砌厚度數(shù)值的-3℃。由圖3(b)可以看出,隨著溫度的升高,方法1和方法3的保溫襯砌布置方式沿襯砌厚度也均呈上升狀態(tài)。且方法3在-1℃時有最大沿襯砌厚度數(shù)值,高于方法1擁有最大沿襯砌厚度數(shù)值的-2℃。上述結(jié)果表明,方法3的保溫性能優(yōu)于另外兩種方法。

3種方法在渠道3種不同位置下的位移場分析效果見圖4。

圖4 3種方法在渠道3種不同位置下的位移場分析效果

由圖4(a)可看出,在渠道陰坡部分原型渠道的法向凍脹量遠高于3種保溫方法,且方法3的凍脹量平均值最低,為1.82cm。由圖4(b)可看出,在渠道底坡部分原型渠道的法向凍脹量遠高于3種保溫方法,且其處于大幅波動狀態(tài);此外,還發(fā)現(xiàn)方法3的法向凍脹量平均值也最低,為1.83cm。由圖4(c)可以看出,在渠道陽坡部分原型渠道的法向凍脹量遠高于3種保溫方法,且其變化情況趨于穩(wěn)定;此外,還發(fā)現(xiàn)方法3的法向凍脹量的變化趨勢也較為平穩(wěn),其平均值為1.84cm,低于對比方法。上述結(jié)果表明,3種方法均有顯著的保溫效果,且方法3的保溫效果優(yōu)于方法1和方法2。

3種不同保溫襯砌布置方式的應力場對比結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 法向凍脹力變化情況

圖6 切向凍脹力變化情況

圖8 各算法在模型中的運行時間

圖5為3種方法以及原型渠道的法向凍脹力對比結(jié)果。從圖5可看出,原型渠道的法向凍脹力變化幅度最大,其最高法向凍脹力最大為2.0MPa。從圖5中還發(fā)現(xiàn),3種方法的法向凍脹力變化均比較穩(wěn)定,其中方法3、方法2、方法1的平均法向凍脹力分別為0.08、0.52及0.76MPa兆。上述結(jié)果表明,從法向凍脹力結(jié)果來看,3種方法均有一定的保溫效果,且方法3的保溫效果優(yōu)于另外兩種對比方法。

圖6為3種方法以及原型渠道的切向凍脹力分析對比結(jié)果。從圖6可看出,原型渠道的切向凍脹力變化幅度最大,其最高切向凍脹力為2.4MPa,最低切向凍脹力為-2.0MPa。從圖6中還發(fā)現(xiàn),3種方法的切向凍脹力變化均比較穩(wěn)定,其中方法1、方法2、方法3的平均切向凍脹力分別為0.53、0.46及0.09MPa。上述結(jié)果表明,從切向凍脹力角度來看,3種方法均有一定的保溫效果,且方法3的保溫效果優(yōu)于另外兩種對比方法。

綜上所述,從多個不同指標的對比結(jié)果來看,方法3的保溫襯砌布置方式的保溫性能最優(yōu)。因此,將其應用于南水北調(diào)工程京石段干渠中,可有效提高其保溫效果,防止凍脹破壞的發(fā)生。

3 結(jié) 論

隨著北方氣溫的不斷降低,南水北調(diào)工程京石段部分經(jīng)常出現(xiàn)凍脹破壞問題。針對這一問題,本文將聚苯乙烯保溫材料板和混凝土襯砌板進行聯(lián)合布置,提出一種新型的保溫方法。在對該方法的性能測試中發(fā)現(xiàn),該方法在-1℃時有最大沿襯砌厚度數(shù)值,且其法向凍脹量、法向凍脹力、切向凍脹力分別為1.82cm、0.08MPa及0.09MPa,均優(yōu)于另外兩種保溫方法。上述結(jié)果表明,本研究提出的新型保溫方法的保溫性能優(yōu)于其他保溫方法,利用該方法可有效提高水工混凝土的防凍脹破壞水平。