混凝土襯砌渠道保溫效果的研究

張棟+銀英姿+楊宏志

摘要：在北方寒旱區(qū)，防滲襯砌渠道面臨的難題之一就是凍害，凍脹破壞對水利工程的危害較大，因此剛性襯砌渠道的防凍脹研究是重要的工程技術(shù)問題。針對內(nèi)蒙古自治區(qū)季節(jié)性凍土地渠道混凝土襯砌嚴(yán)重凍脹破壞現(xiàn)狀，提出在該地區(qū)渠道混凝土襯砌下面鋪設(shè)不同厚度的新型保溫材料聚氨酯保溫板來解決，并在該地區(qū)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。通過采用數(shù)值模擬的方法，模擬現(xiàn)場各種保溫措施工況，并與實(shí)際監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)對比分析，得出該地區(qū)陰坡渠道采用6 cm厚的聚氨酯保溫板可削減凍脹量12.5 cm，削減凍深35 cm，凍脹削減率達(dá)到80%。在滿足渠道凍脹原則的情況下，可有效地阻止襯砌體凍脹損壞。不僅解決了渠道襯砌凍脹破壞問題，而且為后續(xù)渠道襯砌施工中聚氨酯保溫板厚度設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：混凝土襯砌渠道；保溫效果；聚氨酯；數(shù)值模擬

中圖分類號：TV698.2+6.14 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）04-0745-04

在季節(jié)性凍土地區(qū)，防滲渠道剛性襯砌材料在凍融循環(huán)作用下凍脹破壞嚴(yán)重，每年都需要修復(fù)破壞的渠道，這不僅影響了渠道的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，而且花費(fèi)了大量的人力與財(cái)力。20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)一些學(xué)者紛紛對此進(jìn)行了研究，取得了大量的成果，陳濤等[1]通過對大U形渠道進(jìn)行凍脹機(jī)理試驗(yàn)，摸清了渠道襯砌凍脹破壞機(jī)理；宋清林等[2]對混凝土襯砌渠道保溫防凍脹技術(shù)進(jìn)行了比較試驗(yàn)，提出了混凝土襯砌渠道保溫防凍脹最佳結(jié)構(gòu)形式；程滿金等[3]提出了在混凝土襯砌下面鋪設(shè)聚苯乙烯保溫板來防凍脹；王正中等[4]、申向東等[5]、石嬌等[6]對渠道襯砌凍脹破壞的力學(xué)模型進(jìn)行了探討；李爽等[7]、王正中等[8]對各種條件下混凝土襯砌渠道凍脹過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。雖然在渠道防凍脹方面取得了一系列研究成果，但是目前渠道混凝土襯砌防凍脹保溫板厚度的確定還沒有成熟的結(jié)論，很多地區(qū)只是根據(jù)大量的凍脹試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)來確定保溫板的厚度，這往往花費(fèi)巨大。試驗(yàn)以內(nèi)蒙古自治區(qū)臨河地區(qū)南邊分干渠凍脹試驗(yàn)為例，應(yīng)用ADINA有限元分析軟件，對混凝土襯砌保溫渠道工況進(jìn)行了模擬，并與現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，分析了保溫材料的保溫效果，驗(yàn)證了用軟件模擬實(shí)際工況的合理性，使后續(xù)渠道防凍脹保溫設(shè)計(jì)可以不用進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)而直接使用有限元分析軟件模擬來指導(dǎo)現(xiàn)場施工，為渠道襯砌防凍脹保溫板厚度的確定提供了一種經(jīng)濟(jì)的計(jì)算方法，同時(shí)總結(jié)了聚氨酯保溫板應(yīng)用于剛性襯砌渠道的適用條件，這將對渠道襯砌保溫防凍脹技術(shù)產(chǎn)生重要推動(dòng)作用。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 溫度場分析

陰坡渠道基土溫度場分布情況見圖3。與對比段工況溫度場比較，在混凝土襯砌下鋪設(shè)聚氨酯保溫板后，板下溫度梯度分布明顯變小，且6 cm厚聚氨酯板下溫度梯度大于4 cm厚聚氨酯板下的溫度梯度，這是由于聚氨酯保溫板導(dǎo)熱系數(shù)小，阻斷了冷空氣向下部基土的傳輸，使板下基土溫度升高，有效地防止了基土的凍脹。

3.2 位移場分析

陰坡渠道基土法向位移場分布情況見圖4。從圖4可見，對比段工況下表面凍脹量很大，最大達(dá)到16.1 cm；而鋪設(shè)保溫板后，凍脹量明顯減小，且6 cm厚聚氨酯工況比4 cm厚聚氨酯工況的凍脹量小?，F(xiàn)場各種試驗(yàn)工況下陰坡渠道基土法向最大位移模擬值（軟件模擬值）分別是對比段工況16.1 cm、4 cm厚聚氨酯工況5.3 cm、6 cm厚聚氨酯工況3.0 cm，這與表1中實(shí)測值基本吻合，最大誤差為7%，計(jì)算結(jié)果基本滿足了精度要求。說明陰坡采用6 cm厚的聚氨酯保溫板可削減凍脹量12.5 cm，消減凍深35 cm，凍脹削減率達(dá)到80%。在遵循渠道凍脹原則“避免、削減、適應(yīng)一定凍脹量”的前提下，建議該地區(qū)陰坡渠道采用6 cm厚聚氨酯板，陽坡渠道聚氨酯板厚度可適當(dāng)減薄，即可有效地阻止混凝土襯砌體的凍脹破壞。

4 小結(jié)

1）不論現(xiàn)場試驗(yàn)還是軟件模擬結(jié)果，都證明梯形襯砌渠道采用硬質(zhì)聚氨酯保溫板后可以有效地提高襯砌下基土的地溫、削減凍脹量，從而可以防止混凝土襯砌凍脹破壞。建議內(nèi)蒙古自治區(qū)臨河地區(qū)陰坡渠道采用6 cm厚聚氨酯保溫板，陽坡渠道的保溫板厚度可適當(dāng)減薄，這樣就可以有效地阻止混凝土襯砌渠道的凍脹破壞。

2）試驗(yàn)中ADINA軟件模擬的結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果相差不大，可作為渠道襯砌工程抗凍脹設(shè)計(jì)的參考，建議今后渠道襯砌保溫板厚度的設(shè)計(jì)可以根據(jù)軟件模擬結(jié)果來選擇。

3）影響有限元分析結(jié)果精度的主要原因是材料力學(xué)參數(shù)，而目前西北大部分地區(qū)的凍土力學(xué)參數(shù)庫還不完善，很多數(shù)值模擬中參數(shù)選取只是參考資料或憑借經(jīng)驗(yàn)而定，模擬結(jié)果不能反映真實(shí)情況，今后力爭在這方面做出全面系統(tǒng)的測定。

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