寒區(qū)梯形灌溉渠道聚苯板保溫與防凍脹效果研究

夏治濤

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 伊寧 835000)

我國的北緯30°以北的地區(qū)一般都屬于季節(jié)性凍土區(qū)，在這些地區(qū)的地表，一般都存在一層冬季凍結(jié)、春夏融化的凍融層。土層的凍融循環(huán)過程是一種強(qiáng)風(fēng)化作用，可以對(duì)土體的基本結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響[1]。我國北方季節(jié)性凍土區(qū)的渠道以土質(zhì)邊坡為主，在凍融作用的影響下，土壤的凍脹對(duì)渠道的建設(shè)和運(yùn)行造成比較嚴(yán)重的破壞[2]。近年來，雖然在土質(zhì)邊坡渠道防凍脹工程技術(shù)方面取得了較大成就，但是渠道凍脹破壞現(xiàn)象并沒有得到根本解決[3]。

新疆某攔河引水樞紐及干渠工程，全長128km，設(shè)計(jì)流量60m3/s，加大流量68m3/s，屬大(1)型Ⅰ等工程。該地區(qū)為典型的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為4.5℃，極端最高氣溫39℃，極端最低氣溫-42℃，冬季土壤最大凍結(jié)深度為1.5m。干渠沿線多段地下水位較高，且渠道的土質(zhì)均為黃土、粉質(zhì)壤土和壤土，現(xiàn)澆混凝土襯砌板如不采取任何防凍脹措施，一般3～5a即會(huì)發(fā)生不同程度的凍脹破壞[4- 5]。在干渠建設(shè)過程中，對(duì)高地下水位段渠道進(jìn)行了聚苯乙烯板防凍脹處理，但是并沒有提出適宜的鋪設(shè)厚度，不同厚度的聚苯板鋪設(shè)不僅造成渠道的保溫防凍脹效果參差不齊，同時(shí)也不利于充分發(fā)揮有限改造資金的作用。因此，本次研究以干渠樁號(hào)30+400-35+500段高地下水位段為例，對(duì)梯形渠道聚苯板保溫與防凍脹效果進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以期為后續(xù)的渠道設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建

1.1 幾何模型與邊界條件

本次研究選擇ADINA有限元軟件進(jìn)行研究渠段的有限元計(jì)算模型構(gòu)建[6]。研究渠段選取的是3#支渠作為數(shù)值模擬計(jì)算的渠道原型。該渠道全長5.1km，渠道的底板寬度為4.0m，深度為5.1m，渠道邊坡的坡度為1∶2，縱坡的坡度為1/10000。邊坡和底板的厚度均為10cm的C20號(hào)混凝土預(yù)制板砌筑。研究中根據(jù)該段渠道的尺寸建立典型渠道的幾何模型。根據(jù)原型渠道的凍脹觀測(cè)結(jié)果，將模型的上部邊界設(shè)置為空氣對(duì)流邊界條件，模型的下邊界為凍深邊界，渠道陽坡、陰坡的法向凍深分別為75和39cm，渠底的法向凍深則由75cm過渡到39cm。在數(shù)值模型的構(gòu)建過程中，將渠道的凍土與混凝土襯砌板視為一個(gè)整體進(jìn)行有限元數(shù)值模擬[7]。季節(jié)性凍土區(qū)渠道的基土凍脹過程十分復(fù)雜，會(huì)受到溫度、土質(zhì)、水分含量以及地下水位高度等諸多因素的影響，很難進(jìn)行精準(zhǔn)模擬。因此做出如下假定，盡量簡(jiǎn)化模型，以利于研究的順利進(jìn)行。首先，假定研究渠段的基土為具有均質(zhì)、連續(xù)以及各向同性特征；研究中土質(zhì)、水分以及地下水位條件不變，基土的凍脹僅和負(fù)溫有關(guān)；鑒于渠道的基土凍融過程歷時(shí)較長，因此認(rèn)為該過程為穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)，不考慮吸熱和放熱的影響；沿渠道方向不存在溫度上的差異，因此采用二維平面模型進(jìn)行溫度荷載的應(yīng)變研究[8- 11]。

1.2 模型的構(gòu)建與計(jì)算參數(shù)

在模型的溫度場(chǎng)荷載定義時(shí)，由于模型的上部邊界與空氣直接接觸，因此將空氣傳導(dǎo)設(shè)為模型的間接傳導(dǎo)。模型的渠道溫度設(shè)定為當(dāng)?shù)氐?月平均溫度實(shí)測(cè)值，其中陰坡為-8.41℃，陽坡為-3.39℃。由于模型的下部邊界為凍深邊界條件，因此該部位的溫度設(shè)定為0℃，溫度的傳導(dǎo)方式設(shè)置為直接傳導(dǎo)。對(duì)模型進(jìn)行映射網(wǎng)格單元?jiǎng)澐郑搏@得556個(gè)計(jì)算網(wǎng)格單元，其模型示意圖如圖1所示。

圖1 渠道有限元模型示意圖

研究中結(jié)合取樣實(shí)測(cè)結(jié)果和相關(guān)研究結(jié)論，確定渠道土體、襯砌混凝土和聚苯板的有關(guān)參數(shù)，結(jié)果見表1—2。

表1 渠道土體基本參數(shù)

表2 各種材料的力學(xué)參數(shù)

1.3 模型的驗(yàn)證

利用構(gòu)建的模型對(duì)研究渠段的地溫變化進(jìn)行模擬計(jì)算，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的可靠性。該段渠道鋪設(shè)了厚度為8cm的聚苯板，同時(shí)埋設(shè)了地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比分析如圖2所示。由圖2可知，模型的模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較接近，說明模型具有較高的預(yù)測(cè)精度，可以為后續(xù)研究提供穩(wěn)定可靠的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果。此外，由圖2可以明顯看出，隨著深度的增加地溫的增加幅度明顯減小，說明聚苯板的鋪設(shè)可以在30cm以上的土層中產(chǎn)生比較顯著的增溫效果[12- 14]。

圖2 模型驗(yàn)證結(jié)果

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 保溫效果的計(jì)算結(jié)果與分析

為了研究不同厚度聚苯板的保溫效果，為最佳聚苯板厚度設(shè)計(jì)提供依據(jù)，研究中設(shè)定了2、4、6、8、10、12cm等6種不同厚度聚苯板計(jì)算模型，分別記為模型一至模型六，同時(shí)將無保溫板工況作為對(duì)比工況，利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型對(duì)不同厚度聚苯板的保溫效果進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提取不同聚苯板厚度條件下的基土凍土表層的最低溫度值，結(jié)果見表3。由表3中的計(jì)算結(jié)果可知，在鋪設(shè)不同厚度聚苯板保溫結(jié)構(gòu)的情況下，研究渠段基土凍土表層最低溫度在-7.53～-1.77℃之間，相比沒有設(shè)置聚苯板保溫層工況，保溫效果可以提升27.60%～82.98%，要使保溫效果提升50%的工程設(shè)計(jì)要求，需要鋪設(shè)厚度為6cm以上的聚苯板。

表3 基土凍土表層的最低溫度值計(jì)算結(jié)果

2.2 防凍脹效果計(jì)算結(jié)果與分析

為了研究不同厚度聚苯板的防凍脹效果，為最佳聚苯板厚度設(shè)計(jì)提供依據(jù)，研究中利用上節(jié)構(gòu)建的有限元模型，對(duì)模型一至模型六以及無保溫板工況等7種不同計(jì)算工況下的聚苯板防凍脹效果進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖3所示的不同計(jì)算工況下的渠道陰坡渠道基土凍脹量變化過程曲線。由圖3可知，無保溫渠段以及聚苯板厚度最小的模型一條件下的渠道陰坡凍脹量呈現(xiàn)出從坡面向渠底逐漸增加的趨勢(shì)，其中，無保溫段的凍脹量最大值為14.8cm左右。說明聚苯板厚度較薄時(shí)，難以起到明顯的防凍脹作用。模型二至模型六條件下，聚苯板的鋪設(shè)可以對(duì)渠道基土的凍脹產(chǎn)生比較明顯的抑制作用，其中聚苯板厚度在6cm以上時(shí)影響最為明顯，最大凍脹量均在2cm以內(nèi)。因此，從抗凍脹效果角度來看，建議該段渠道鋪設(shè)厚度為6～8cm的聚苯板，可以在消減幾乎90%的凍脹量的情況下，具備較好的工程經(jīng)濟(jì)性[15- 16]。

圖3 渠道陰坡渠道基土凍脹量變化過程曲線

3 結(jié)論

本次研究以某引水干渠改造工程為例，利用有限元數(shù)值模擬的方法，研究了不同聚苯板厚度對(duì)渠基保溫與防凍脹效果，獲得的主要結(jié)論如下。

(1)鋪設(shè)不同厚度聚苯板情況下，研究渠段基土保溫效果可以提升27.60%～82.98%；鋪設(shè)厚度為6cm以上的聚苯板即可滿足保溫效果提升50%的工程設(shè)計(jì)要求。

(2)聚苯板厚度較薄時(shí)難以起到明顯的防凍脹作用；鋪設(shè)4cm以上的聚苯板的可以對(duì)渠道基土的凍脹產(chǎn)生比較明顯的抑制作用，其中聚苯板厚度在6cm以上時(shí)影響最為明顯；建議該段渠道鋪設(shè)厚度為6～8cm的聚苯板，可以在消減幾乎90%的凍脹量的情況下，具備較好的工程經(jīng)濟(jì)性。