灌區(qū)梯形渠道EPS保溫板非等厚鋪設(shè)抗凍脹數(shù)值模擬分析

(甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷革新，節(jié)水灌溉措施已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的主流[1]。為了減少灌溉渠道輸水過程中的滲漏損失，我國大灌區(qū)對于現(xiàn)狀渠道都進(jìn)行了混凝土襯砌，以達(dá)到節(jié)水減漏、防沖護(hù)坡、改善水流條件、提高工程耐久性的效果。但是大量的工程實(shí)踐表明，季節(jié)性凍土區(qū)渠道，經(jīng)過長期運(yùn)行，由于滲漏以及地下水位的影響，在溫度梯形的影響下，使得其水分不斷向襯砌底部遷移，從而造成了大部分灌溉渠道發(fā)生凍脹破壞，輕者混凝土襯砌板表面出現(xiàn)裂縫或局部鼓起，重者大范圍襯砌板坍塌滑坡造成渠道不能正常輸水，從而嚴(yán)重影響到灌區(qū)的正常運(yùn)行。因此，隔斷混凝土襯砌表層與土體之間的溫差顯得尤為重要[2-4]。目前，渠道保溫主要采用保溫法，即在護(hù)坡下設(shè)置EPS保溫板，以削減渠基土凍脹，但是，目前都是采用全斷面均布鋪設(shè)EPS苯板的方法，這種方法不僅造價(jià)較高，而且未考慮到由于渠道走向不同部位不同，其凍脹強(qiáng)度也不同的外部條件，從而造成了工程費(fèi)用不必要的浪費(fèi)，因此，按照外部條件，對渠道采取保溫措施勢在必行[4-10]。

本研究利用有限元軟件ADINA，以甘肅靖會(huì)灌區(qū)干渠弧底梯形渠道為研究對象，對特定時(shí)間段內(nèi)鋪設(shè)EPS保溫板，均布鋪設(shè)EPS保溫板和根據(jù)渠底、陰坡以及陽坡不均布EPS保溫板三種狀態(tài)下溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真計(jì)算，分析出三種狀態(tài)下其溫度的變化規(guī)律，從而得出一種經(jīng)濟(jì)上節(jié)約、工程上可行的方法，為未來季節(jié)性凍土區(qū)灌區(qū)抗凍脹措施提供更加科學(xué)的理論依據(jù)。

1 EPS保溫板設(shè)計(jì)原則

1.1 基本資料獲取

甘肅靖會(huì)灌區(qū)位于甘肅省白銀市靖遠(yuǎn)縣南部，灌區(qū)北起靖遠(yuǎn)城西，黃河右岸，南至?xí)幙h城，東至靖遠(yuǎn)縣三場塬和會(huì)寧縣百草塬，西至?xí)幙h頭寨鎮(zhèn)。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，渠基土主要為凍脹較敏感粉質(zhì)黏土土層，冬季平均氣溫-8℃，風(fēng)向以西北風(fēng)為主，平均風(fēng)速2～3級。

1.2 EPS保溫板厚度設(shè)計(jì)

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 23—2006)，EPS保溫板厚度設(shè)計(jì)與工程所在地設(shè)計(jì)凍深、年季變化頻率、日照及遮陰程度、地下水埋深等因素有關(guān)。計(jì)算公式如下：

(1)

Zd=φfφdφwZk

(2)

式中Zd——設(shè)計(jì)凍深，m；

Zk——標(biāo)準(zhǔn)凍深，m；應(yīng)采用鄰近工程地點(diǎn)氣溫條件的氣象臺(tái)(站)觀測系列不短于10年最大凍深平均值；

φf——凍深年際變化的頻率模比系數(shù)，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)凍深值查標(biāo)準(zhǔn)凍深與頻率模比系數(shù)關(guān)系曲線獲得，1、2、3級建筑物按頻率5%，4、5級建筑物按頻率為20%查??；

φd——日照及遮陰程度影響系數(shù)，主要根據(jù)建筑物的朝向及凍深進(jìn)行修正；

φω——地下水影響系數(shù)，可根據(jù)地下水埋深和地基土質(zhì)類型進(jìn)行計(jì)算得到。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，EPS保溫板厚度一般取設(shè)計(jì)凍深的1/10～1/15即可滿足工程得實(shí)際要求。

2 有限元模型建立

2.1 工程的基本資料及有限元模型的建立

甘肅靖會(huì)總干渠弧底梯形渠道(見圖1)底板長381cm，弧底半徑324cm，陰坡板長350cm，陽坡板長350cm，陰陽坡豎直高度為194cm，陰陽坡比均為1∶1.5，混凝土襯砌板厚10cm。渠道原型參數(shù)見表1。

圖1 甘肅靖會(huì)總干渠弧底梯形渠道斷面 (單位：cm)

表1 渠道原型參數(shù)

弧底梯形渠道有限元模型見圖2。

圖2 弧底梯形渠道有限元模型

以渠道各部位月平均表面溫度最大值作為有限元模型襯砌表面各部位邊界溫度(見表2)。下邊界溫度取為10℃，左右邊界絕熱。

表2 渠道各部位的月平均溫度和凍結(jié)期

2.2 有關(guān)參數(shù)選取

根據(jù)凍土物理學(xué)中凍土本構(gòu)的熱傳導(dǎo)方程，溫度場計(jì)算僅與導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，這里取土壤凍結(jié)時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)λf=1.987W/(m·℃)。為了簡化數(shù)值模擬模型，本文假設(shè)凍土為橫觀各向同性體，它的彈性模量隨著溫度的變化而變化，凍土的彈性模量按參考文獻(xiàn)[8]選取，泊松比μ=0.33。材料物理力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 材料的力學(xué)參數(shù)

2.3 EPS保溫板厚度范圍計(jì)算及渠道各部位保溫板厚度選取

根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 23—2006),渠道保溫板厚度根據(jù)式(1)計(jì)算，其中模型各部位EPS保溫板設(shè)計(jì)厚度見表4。

表4 EPS保溫板厚度計(jì)算

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 溫度場模擬

利用有限元軟件ADINA中的ADINA-T模塊對不鋪設(shè)EPS保溫板時(shí)的渠道溫度場、均勻鋪設(shè)8cm厚EPS保溫板時(shí)的渠道溫度場以及根據(jù)凍深計(jì)算不等厚鋪設(shè)EPS保溫板時(shí)的渠道溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬分析。不同鋪設(shè)方式下渠道溫度場分布云圖見圖3。

從圖3(a)中可以看出，未鋪設(shè)EPS保溫板時(shí)，整個(gè)渠基的基土層內(nèi)存在著大量的負(fù)溫層，這些負(fù)溫層的存在導(dǎo)致水分不斷向渠道襯砌板底部遷移造成襯砌板的凍脹破壞，從而影響渠道的正常使用。圖3(b)為均布鋪設(shè)EPS保溫板時(shí)的渠道溫度場分布云圖，與圖3(a)相比，鋪設(shè)保溫板后不僅減少了襯砌板表面負(fù)溫向渠基土層的傳遞，而且使整個(gè)渠基土層維持在正溫，從而阻止了渠道襯砌板因渠基土層發(fā)生凍脹而造成襯砌脫落、破壞。但是使用均布鋪設(shè)保溫板的工法并沒有因地制宜根據(jù)渠道陰坡、渠底以及陽坡的凍深不同合理選擇選擇保溫板的厚度，達(dá)到保溫的效果。因?yàn)榫间佋O(shè)保溫板時(shí)，若凍深小的部位依舊鋪設(shè)相同厚度EPS保溫板，勢必會(huì)造成材料的浪費(fèi)，提高工程投資。圖3(c)為根據(jù)設(shè)計(jì)凍深選擇合理保溫板厚度渠道的溫度場分布云圖，與圖3(b)相比，兩種工況下渠基溫度場分布相同，均達(dá)到了預(yù)期保溫的效果。

圖3 不同工況下渠道溫度場云圖

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

選取渠道陽坡邊緣處，渠道底部中心點(diǎn)處、渠道陰坡邊緣處和渠道EPS保溫板底部四個(gè)位置作為比較點(diǎn)，對不同工況下溫度場模擬結(jié)果溫度T與深度Z及溫度T與渠道橫斷面寬度Y的變化趨勢進(jìn)行對比分析。

3.2.1 不同工況下渠道陽坡溫度T與深度Z變化規(guī)律分析

圖4為渠道陽坡邊緣處不同工況下溫度T與深度Z變化，從中曲線可以看出：不鋪設(shè)EPS保溫板時(shí)渠道陽坡邊緣最低溫度是-3.5℃；均布鋪設(shè)8cm厚的EPS保溫板時(shí)渠道陽坡邊緣的最低溫度是2℃，渠基溫度提高了5.5℃；按照凍深不等厚鋪設(shè)保溫板時(shí)溫度渠道陽坡邊緣最低溫度是1.5℃，與均布鋪設(shè)保溫板時(shí)基本上達(dá)到了相同的效果。

圖4 三種情況下渠道陽坡邊緣處T-Z曲線

3.2.2 不同工況下渠底中心處溫度T與深度Z變化規(guī)律分析

圖5為渠道底部中心點(diǎn)處不同工況下T-Z曲線，從中可以看出：不鋪設(shè)保溫板時(shí)渠道中心點(diǎn)處最低溫度是-4.2℃； 均布鋪設(shè)8cm厚的保溫板溫度呈線性遞增，在保溫板底部就達(dá)到了正溫，其溫度為4.8℃；按照設(shè)計(jì)凍深非等厚鋪設(shè)保溫板時(shí)渠道底部最低溫度從-4℃遞增至4.5℃；而且均呈現(xiàn)較大的線性遞增方式。

圖5 三種情況下渠道底部中心點(diǎn)處T-Z曲線

3.2.3 不同工況下渠道陰坡溫度T隨著深度Z變化規(guī)律分析

圖6為三種工況下渠道陰坡邊緣處溫度T隨深度Z的變化曲線。從圖6中可以看出：不鋪設(shè)保溫板時(shí)渠道陰坡邊緣最低溫度為-4.6℃；均布鋪設(shè)8cm厚的保溫板渠道陰坡邊緣的最低溫度是1.4℃，渠道陰坡邊緣溫度比不鋪設(shè)保溫板時(shí)提高了6℃；按照不同渠道部位鋪設(shè)不等厚保溫板時(shí)溫度渠道陰坡邊緣最低溫度是1.2℃，溫度比不鋪設(shè)保溫板時(shí)提高了5.8℃，比均布鋪設(shè)保溫板時(shí)低了0.2℃。因?yàn)殛幤氯照諘r(shí)間短而且凍結(jié)深度較大，從以上分析可以看出變厚度鋪設(shè)保溫板時(shí)其溫升比均布鋪設(shè)時(shí)溫度低了0.2℃，但已經(jīng)達(dá)到了保溫的效果，保溫效果顯著。

圖6 三種情況下渠道陰坡邊緣處T-Z曲線

3.2.4 不同工況下渠道溫度T與渠道橫斷面寬度Y的變化趨勢分析

從圖7中可以看出：隨均布鋪設(shè)和不等厚鋪設(shè)時(shí)最高溫度都在渠道底部中心點(diǎn)，分別為6℃和5.3℃，渠道在不等厚鋪設(shè)保溫板狀況下仍達(dá)到了均布鋪設(shè)的效果，雖然兩者溫升存在著差異，但是為了達(dá)到經(jīng)濟(jì)上節(jié)約、工程上可行的目的，不等厚鋪設(shè)保溫板的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)大于等厚鋪設(shè)，是一種工程上可行、經(jīng)濟(jì)上合理的工程方法。

圖7 兩種保溫板鋪設(shè)方式下保溫板底部T-Y曲線

4 經(jīng)濟(jì)分析

a.普通保溫板造價(jià)為100元/m2，均布鋪設(shè)8cm保溫板時(shí)其整個(gè)斷面所需的保溫板的面積為：

S總=S陰坡+S渠底+S陽坡=0.28+0.32+0.28

=0.88m2

其造價(jià)為

T=S總×100=88元

總干渠長度為178.85km，對于整個(gè)干渠來說其均布鋪設(shè)所需的造價(jià)為

H=T×178850=15738.8萬元

b.根據(jù)陰坡、渠底、陽坡鋪設(shè)不同厚度鋪設(shè)保溫板時(shí)其總面積為

=0.66m2

其造價(jià)為

元

整個(gè)渠道總造價(jià)為

H′=T′×178850=11804.1萬元

與均布鋪設(shè)相比整個(gè)干渠節(jié)省工程造價(jià)為3934.40萬元。

5 結(jié) 語

本研究利用有限元軟件ADINA，以甘肅靖會(huì)灌區(qū)干渠弧底梯形渠道為研究對象，對特定的時(shí)間段內(nèi)的鋪設(shè)EPS保溫板，均布鋪設(shè)EPS保溫板和根據(jù)渠底、陰坡以及陽坡不均布EPS保溫板三種狀態(tài)下的溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真計(jì)算。結(jié)果表明：根據(jù)渠道陰坡、陽坡以及渠道不同設(shè)計(jì)凍深選取相應(yīng)厚度的EPS保溫板，不僅能達(dá)到抗凍脹的效果，而且節(jié)省了材料，降低了整個(gè)工程的造價(jià)，是一種簡單可行的工程措施。