考慮鹽堿土固化下膠東調水干渠襯砌結構設計研究

顏曉曉

(山東省調水工程運行維護中心濰坊分中心，山東 濰坊 261061)

輸水灌渠襯砌結構穩(wěn)定性受多方面因素影響[1-2]，在進行襯砌結構設計時，應綜合考量包括渠道土體性質、渠坡滲流狀態(tài)以及工程所在環(huán)境。襯砌結構凍脹破壞與土體、保溫結構以及襯砌厚度等密切相關[3-4]，研究渠道襯砌結構設計合理性，有助于提升固化土渠道襯砌結構抗凍脹能力。高丹[5]、吉曄等[6]從襯砌結構材料遴選入手，從隔熱保溫材料至保溫板等新型材料，有目的性改變傳統(tǒng)單一襯砌材料，提升襯砌結構防凍脹作用。馬小涵等[7]、吳文杰等[8]從渠基土的凍脹特性入手，分析渠基土凍脹特性對襯砌結構危害特征，進而從襯砌設計方案的適配性，確保輸水渠道不受凍脹破壞威脅。李響[9]、王海麗[10]借助數(shù)值仿真計算方法，采用ANSYS、ABAQUS等計算平臺建立了輸水渠道仿真模型，與之相匹配土體本構方程，研究襯砌結構凍脹力、凍脹位移影響變化，揭示襯砌設計參數(shù)對渠道防凍脹影響機理，為優(yōu)化襯砌設計提供依據(jù)。因而，本文考慮工程實際，結合理論仿真計算，探討鹽堿固化土襯砌厚度參數(shù)影響特性，并基于凍脹力、凍脹位移表現(xiàn)，評價設計方案合理性。

1 研究方法

1.1 工程概況

作為山東半島重要輸水通道，膠東調水樞紐工程承擔著農(nóng)業(yè)用水及工民業(yè)用水調度，共有南、北兩側并行運營，地下水深度維持在16～25m，年輸水量超過10億m3，也承擔著地區(qū)生態(tài)補水、保障防洪排泄重要職責。該調水樞紐工程輸水干渠建設總長度為290km，聯(lián)通著各農(nóng)業(yè)灌區(qū)、補水區(qū)以及蓄水單元區(qū)，沿線干、支渠途徑地區(qū)最低氣溫為-20～-25℃，夏季時間持續(xù)至7—8月，輸水流量最大的月份為9—10月，但泄流量最高為7月，輸水渠基所在場地凍土層厚度超過2.5m。由設計資料得知，輸水干渠最寬處為1.8m，渠坡及渠基土中含有鹽堿土、碎石砂土等，而渠基土中主要為鹽堿土，土壤深度分布為0～1.5m、1.5～2.5m兩層，在極低溫度下鹽堿固化土的含水量、厚度以及凍脹特性，對輸水渠道襯砌結構均有負面影響，要確保膠東調水樞紐輸水主渠襯砌結構科學設計，首要需要探討渠基鹽堿固化土對襯砌結構影響。鹽堿土對襯砌結構破壞來源于自身凍脹，從而引起渠道襯砌結構溫度、濕度、水位、凍脹力以及凍脹位移等參量變化，當超過失穩(wěn)臨界值時，襯砌結構發(fā)生破壞失效。圖1為現(xiàn)建設的輸水主渠襯砌結構監(jiān)測示意，受鹽堿土固化影響，襯砌結構的凍脹力、位移等均超過允許量，渠道襯砌安全受到威脅。因而，有針對性探討鹽堿土凍脹特征很有必要。

圖1 襯砌結構監(jiān)測示意

1.2 研究模型

相比常規(guī)土體，鹽堿固化土凍脹特性受自身礦物成分、厚度、含水量影響，為準確描述渠基鹽堿固化土凍脹特征，引入凍土本構模型，包括有彈性變形與塑性變形兩部分，下式為彈性變形本構：

(1)

式中，Gp=Ep/2(1+vp)；ε11、ε22、ε33—3個空間面的正應變；γ12、γ13、γ23—3個空間面上切應變；vp、vtp、vpt—3個方向上質點的泊松比；σ11、σ22、σ33、σ12、σ13、σ23—3個空間面上的正應力；Ep、Et—質點的彈性模量；Gp—剪切模量。

塑性本構模型采用M-C模型，如下式所示：

F=Rmcq-ptanφ-c=0

(2)

式中，F(xiàn)—剪切應力；φ—夾角，不超過90°；c—黏聚力；p、q—剪切面系數(shù)；Rmc與式(3)密切相關。

(3)

式中，Θ—偏心角。

基于凍土彈塑性本構模型，在ABAQUS仿真平臺中進行土體凍脹分析，凍土摩擦角、剪脹角等物理力學參數(shù)均以膠東調水干渠地勘資料實測取值。模型中鹽堿凍土體的溫度參數(shù)采用熱傳導方程確定[11]，不考慮水分遷移引起的熱力荷載轉變，如式(4)所示為穩(wěn)態(tài)傳導，熱膨脹系數(shù)設置為0.0033。

(4)

式中，λx、λy、λz—3個方向上導熱系數(shù)分量；T—溫度。

在沿線干渠中選取ZK6+125—ZK6+610區(qū)段為研究對象，利用ABAQUS仿真軟件建立渠道幾何模型，如圖2所示。該模型兩側渠坡頂寬度分別為3m，渠底寬度為0.8m，渠坡為1/1.5，模型渠道長為490m，渠坡高度為2.04m，渠坡、渠基土均以鹽堿固化土為原型，含水量設定為23.5%，土體干密度為1.58g/cm3。根據(jù)魯東半島地區(qū)年平均低溫，設定為-10℃，此參數(shù)也為鹽堿凍土外接溫度邊界條件，模型頂、底面分別設定為無約束、法向約束邊界，而兩側分別具有水平向約束條件。

圖2 渠道幾何模型

鹽堿凍土凍脹特性會改變渠道法向、切向凍脹力，而頂、底面凍土襯砌厚度差異性，會導致凍脹力不均衡性，易導致襯砌結構應力集中。因而，基于圖2渠道模型，從襯砌結構鹽堿土襯砌厚度設計入手，以渠坡腳襯砌厚度為對比參數(shù)，在襯砌厚度5～15cm的經(jīng)驗值下，設定襯砌厚度為6、8、10、12、14、16共6個研究方案，渠頂鹽堿固化土厚度仍為6cm，圖3為不同厚度的鹽堿凍土襯砌模型方案?；谀Ｐ陀嬎憔W(wǎng)格劃分，圖3中3個方案的微單元分別有3872、4388、4524個，同時各方案中渠道襯砌模型中熱力學荷載等工況參數(shù)均為一致。

圖3 渠道襯砌厚度模型

2 鹽堿土襯砌結構凍脹力特征

2.1 法向凍脹力

基于不同厚度鹽堿土襯砌結構凍脹仿真分析，獲得了渠道襯砌板橫斷面上法向凍脹力變化特征，橫斷面上分為左、右兩側渠頂4m，中間渠內2m，如圖4所示。

圖4 渠道橫斷面上法向凍脹力變化特征

依據(jù)圖中法向凍脹力可知，改變鹽堿土襯砌厚度，法向凍脹力在橫斷面上變化特征具有一致性，呈“上凸”特征，即渠底法向凍脹力最大。當鹽堿土厚度為8cm時，襯砌板橫斷面1m處法向凍脹力為3.52MPa，而橫斷面為5.5m處法向凍脹力較之前者提高了70.8%，但在橫斷面9m處法向凍脹力較之橫斷面5.5m處減少了41.4%，其他方案亦是如此。當鹽堿土襯砌厚度增大，整體上法向凍脹力水平為遞減，同是橫斷面7m處，厚度6cm方案下應力為5.11MPa，而在厚度10、14、16cm下較之分別減少了37.1%、53.2%、54.4%。從法向峰值凍脹力對比亦可知，厚度6cm時為7.3MPa，隨鹽堿固化土厚度每遞增2cm，其峰值法向凍脹力平均可減少8.6%。進一步具體分析凍脹力與鹽堿土襯砌厚度關系可知，在厚度12～16cm方案內，實質上峰值法向凍脹力降幅低于厚度6～12cm區(qū)間，對比可知，厚度6～12cm方案內，峰值法向凍脹力分布為4.6～7.3MPa，平均降幅為14.2%，最大降幅為14.9%，而在厚度12～16cm方案內，法向峰值凍脹力平均減少了2.8%，增大鹽堿土襯砌厚度，但法向凍脹力降低效果有所減弱。

根據(jù)渠道襯砌板凍脹力計算，獲得了圖5所示各方案中法向凍脹力分布特征。分析可知，渠坡內兩側法向凍脹力分布具有對稱性，且量值水平均低于渠底[8，12]；另一方面，峰值法向凍脹力分布于渠坡腳處，襯砌板應更關注渠坡處法向凍脹力分布。從抑制法向凍脹力考慮，襯砌厚度的選擇可不需考慮凍脹力分布變化，僅需研究其對凍脹力量值水平影響。

2.2 切向凍脹力

襯砌結構凍脹力反映了鹽堿固化土凍結與渠道穩(wěn)定特性，同樣根據(jù)凍脹力計算獲得了各方案中橫斷面上切向凍脹力變化特征，如圖6所示。不難看出，切向凍脹力隨鹽堿固化土襯砌厚度變化與法向凍脹力有所相似，均為“上凸”，且鹽堿固化土襯砌厚度改變，不影響切向凍脹力的變化趨勢。由此可知，凍脹力在法向、切向上量值表現(xiàn)皆不受鹽堿土襯砌厚度參量影響[13]。對比切向、法向凍脹力可知，前者量值水平更高，在襯砌厚度8cm方案下，切向凍脹力在橫斷面上分布為9.6～18.7MPa，較之法向凍脹力增大了1.92～2.93倍。

圖6 渠道橫斷面上切向凍脹力變化特征

當襯砌厚度遞增時，橫斷面上切向凍脹力均為遞減，鹽堿土襯砌厚度6cm方案中橫斷面上均值切向凍脹力、峰值切向凍脹力分別為16.2MPa和21.5MPa，而隨厚度每遞增2cm，均值、峰值切向凍脹力分別平均可減少14.3%、10.3%。相比之下，切向凍脹力受鹽堿土襯砌厚度影響敏感性高于法向凍脹力。從鹽堿固化土襯砌厚度影響切向凍脹力階段性可知，同樣是在厚度6～12cm區(qū)間內，峰值切向凍脹力具有較大的降低幅度，如在厚度8～10cm間具有最大降幅13.5%，而在厚度12～16cm方案后，其切向凍脹力降幅處于較緩狀態(tài)，峰值切向凍脹力平均降幅僅為1.6%。對比之下，不論是法向或切向凍脹力，均應關注鹽堿固化土襯砌厚度6～12cm方案，避免襯砌厚度超過12cm。

3 鹽堿土襯砌結構凍脹位移特征

基于襯砌結構凍脹仿真計算，獲得了各厚度方案下襯砌板橫斷面上凍脹位移變化特征，如圖7所示。由圖中凍脹位移可看出，鹽堿土厚度不同，其凍脹位移在橫斷面上變化特征具有差異性，當厚度為6～12cm方案內時，其凍脹位移呈先增后減的“上凸”特征，峰值位移均指向橫斷面6m，該部位位于渠坡坡腳處；當厚度為14～16cm時，凍脹位移具有二次遞增特點，峰值凍脹位移轉移至右側渠坡，位于右側渠坡橫斷面10m處。分析表明，鹽堿土襯砌厚度不應過大，易導致在一側形成凍脹位移不均衡，此與穩(wěn)態(tài)熱傳導引起的渠坡位移“時差”性有關[3，14]。

圖7 渠道橫斷面上凍脹位移變化特征

當鹽堿土襯砌厚度遞增，凍脹位移總體上為遞減，但在襯砌厚度14cm和16cm方案內，二次遞增段會形成更高水平的凍脹位移，甚至超過襯砌厚度10cm和12cm方案。在襯砌厚度6cm時，橫斷面上峰值凍脹位移為10.97mm，而厚度8cm和12cm方案下，峰值凍脹位移較之前者分別減少了8.4%和25.5%，而厚度14cm和16cm峰值凍脹位移分別達到7.5mm和7.1mm。從干渠鹽堿土襯砌結構設計優(yōu)化考量，凍脹位移反映了襯砌結構與鹽堿土之間平衡作用，當鹽堿土襯砌厚度超過12cm時，很容易導致渠坡出現(xiàn)失控凍脹位移量，失去了襯砌結構價值。因而，結合襯砌結構凍脹力、凍脹位移影響特性，干渠鹽堿土襯砌厚度為12cm設計最合理。

4 結語

(1)襯砌厚度改變，法向凍脹力在渠道橫斷面上仍呈“上凸”特征，兩側渠坡法向凍脹力具有對稱性，峰值法向凍脹力位于渠坡腳；在厚度6～12cm方案內法向凍脹力受影響敏感性更高。

(2)切向凍脹力在橫斷面上表現(xiàn)特征與法向凍脹力一致，但切向凍脹力量值水平高于后者；隨厚度梯次變化，切向凍脹力變化敏感區(qū)間仍為6～12cm。

(3)厚度6～12cm內，凍脹位移在橫斷面上為先增后減的“上凸”特征，而在14～16cm區(qū)間內，凍脹位移在右側渠坡上具有二次遞增特征。

(4)綜合不同厚度下鹽堿固化土襯砌效果可知，厚度12cm時設計最合理。