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    冬季渠道防凍脹聚苯乙烯保溫技術(shù)狀態(tài)分析

    2020-09-29 06:41:56王學智
    水利科技與經(jīng)濟 2020年9期
    關(guān)鍵詞:基土襯板聚苯乙烯

    毛 照,王學智

    (江西省水利水電建設(shè)有限公司,南昌 330000)

    1 案例渠道概況及模型參數(shù)

    1.1 案例渠道概況

    本研究案例渠道位于某河流域中游,該渠道即便在氣溫較低的冬季亦能正常輸水應(yīng)用。渠道總長4.153 km,兩側(cè)邊坡坡度值1∶1.5,縱坡坡度值1/1 400,渠底寬3 m、深度4.5 m,混凝土厚度基本保持在0.15 m左右。

    該輸水渠道表面主要由兩種材料堆砌而成:一是C15混凝土;二是漿砌卵石。由于多年冬季輸水運行,導(dǎo)致多數(shù)渠段遭受嚴重損壞。案例輸水渠道局部凍脹損壞狀態(tài)見圖1。

    圖1 案例輸水渠道局部凍脹損壞

    1.2 渠道模型和參數(shù)選擇應(yīng)用

    在本研究中,通過案例工程的深度剖析,決定分別對輸水和停水這兩種渠道進行全面且有效地模擬分析,同時將非凍土層、凍土層和混凝土砌襯板看作是不可分割的整體。模型構(gòu)建詳見圖2及圖3。渠道基土是透水性較好的粉質(zhì)壤土,渠道所在地的地下水深超過4 m,但地下水影響在輸水渠道凍脹時可直接忽略,可將總渠道凍脹視為封閉式凍結(jié)系統(tǒng)。

    圖2 停水渠道模型(單位:cm)

    圖3 輸水渠道模型(單位:cm)

    兩種計算模型均以實體工程規(guī)格為依托,唯一不同在于輸水渠道水體加深了2 m。兩種模型的規(guī)格參數(shù)具體如下:渠道深4.5 m,渠頂部長3 m,Ⅰ區(qū)凍土部分、Ⅱ區(qū)未凍土部分和Ⅲ區(qū)深層土體部分的深度值分別為1.6、4.9及5.5 m。從渠頂?shù)舰髤^(qū)底部的總深度為12 m。由于本工程實測數(shù)據(jù)不充分,只能參考同類工程的相關(guān)數(shù)據(jù)信息,并以此作為模型參數(shù)設(shè)置的重要依據(jù)。查閱《凍土物理學》后進一步得知,若渠底和渠坡中部的含水量分別為30%和20%,可將其導(dǎo)熱參數(shù)分別定義為分別是0.57 W及1.10/(m·℃),之后依照垂向部位坐標插值確定出其他部位的導(dǎo)熱常數(shù),凍土的凍脹常數(shù)為α=-η/t(1/℃),實際上是負的熱膨脹常數(shù)?;炷梁颓愧騾^(qū)未凍土的導(dǎo)熱常數(shù)分別為1.54和0.78 W/(m·℃),正常情況下,地表5 m深度下的未凍土導(dǎo)熱常數(shù)會很大。出于深度方面的考量,將Ⅲ區(qū)未凍土體看作是導(dǎo)熱常數(shù)較大的深層土,并將其值設(shè)定為λb=4.7 W/(m·℃)。渠道上下邊界的溫度分別設(shè)定為10℃和11℃,在渠道水溫基本平穩(wěn)的情況下,溫度演變介于0.5~1.7℃區(qū)間。在本研究中,將渠內(nèi)水溫擬定為1℃,此時因為不會結(jié)冰,也就不會形成冰壓力。渠道兩側(cè)邊界只對X方向施壓,底部則同時對X及Y方向施壓。凍土的物理力學參數(shù)見表1,渠道土體和其他材料物理力學參數(shù)見表2。

    表1 凍土主要技術(shù)參數(shù) /MPa

    表2 渠道材料和土體力學技術(shù)參數(shù)

    2 凍脹渠道模型與模擬系統(tǒng)介紹

    2.1 渠道凍脹模型

    2.1.1 土體熱傳導(dǎo)計算方程

    當大氣溫度達到冰點以下后,潛藏在土壤中的水分才會發(fā)生相變與遷移,從而使壤溫出現(xiàn)明顯變化。由于渠道是典型的細長構(gòu)造,因此可將其看作是一個簡單的2D平面構(gòu)造,并在此基礎(chǔ)上進行渠道整體熱傳導(dǎo)研究。根據(jù)現(xiàn)有理論確定出與渠道凍脹更匹配的二維熱傳導(dǎo)方程,即:

    (1)

    2.1.2 凍脹渠道本構(gòu)計算方程

    在大氣溫度持續(xù)下降的情況下,渠基土中的水分就會發(fā)生相變,由液態(tài)逐漸演變成為晶體狀態(tài),同時會使大量水分聚集于凍結(jié)鋒面處和以上部位,造成土體體積增大,從而出現(xiàn)宏觀凍脹性移位現(xiàn)象。砌襯層與土體間的摩阻會對渠基土凍脹產(chǎn)生直接影響,并且渠道中水壓力受外力約束,也就會因溫度演變形成明顯的應(yīng)力與應(yīng)變。假設(shè)基土中各點均為各向同性體,而且完全自由,在溫度低于凍結(jié)溫度時,各方向上會形成同等正應(yīng)變,即剪應(yīng)變數(shù)值為零。結(jié)合理論研究,只要確定出不同工況下的熱傳導(dǎo)方程和應(yīng)力場方程,就能直接推導(dǎo)出溫度及應(yīng)力兩場耦合值。

    渠道靜力平衡計算方程:

    Lσ=0

    (2)

    幾何渠道計算方程:

    ε=Lu

    (3)

    其中:

    (4)

    基于溫度的渠道本構(gòu)方程為:

    1)#1、#2、#3接地變及#1、#2站用變保護裝置面板無異常信號,采樣正常(接地變的三相電流均為0),一次設(shè)備運行正常;

    (5)

    式中:γxy、γyz、γzx為剪應(yīng)變;εx、εy、εz為正應(yīng)變;τxy、τyz、τzx為剪應(yīng)力;σx、σy、σz為正應(yīng)力;α為凍土自由凍脹常數(shù)或者混凝土的線膨脹常數(shù);E為彈塑性模量;u為線移位;μ為泊松比;ΔT為溫差。

    2.2 數(shù)理模擬應(yīng)用系統(tǒng)

    業(yè)界經(jīng)常應(yīng)用的數(shù)理模擬系統(tǒng),使用頻率最高的當屬ANSYS、ABAQUS等系統(tǒng)。經(jīng)多方面考慮與分析后,本研究決定采用ANSYS系統(tǒng)進行數(shù)理模擬。目前,此系統(tǒng)已憑借自身強大的功能優(yōu)勢在熱力、航空等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了規(guī)模化普及與廣泛應(yīng)用。

    3 輸水渠道冬季防凍脹聚苯乙烯保溫措施數(shù)理模擬

    大部分情況下,渠道所用聚苯乙烯保溫板厚度為凍深的1/10~1/15,所以案例輸水渠道保溫板合理厚度介于11~16 cm范圍內(nèi)。出于現(xiàn)實工程參考需要,本研究不同模型的冬季輸水渠道聚苯乙烯保溫板板厚取值具體見表3。

    表3 不同模型的冬季輸水渠道聚苯乙烯保溫板板厚取值 /cm

    3.1 基于防凍脹保溫板新式構(gòu)造的凍深和溫度場分析

    見圖4。

    圖4 基于防凍脹保溫板新式構(gòu)造的凍深和溫度場分析

    通過圖4數(shù)據(jù)分析得知,在沒有采取任何保溫措施的情況下,偏坡板后渠凍深最高達到160 cm,在此部位鋪設(shè)不同厚度的聚苯乙烯保溫板后,其基土溫度明顯升高,尤其是水面以上的基土溫度升高最顯著,但水面以下的土體溫度幾乎無變化。通過模擬分析發(fā)現(xiàn),此部分溫度分布相對比較均勻,均處于正溫狀態(tài)。另外,新式保溫防凍脹構(gòu)造的性能優(yōu)勢較為顯著。在沒有采取任何保溫措施的情況下,渠道凍深最高達到160 cm,而覆蓋厚8 cm的保溫板后凍深快速降為111 cm,其降比率高達30.63%,這也說明這種構(gòu)造的保溫性能可靠,進而能將偏坡板后渠基土的溫度控制在合理范圍之內(nèi)。通過表4數(shù)據(jù)分析進一步發(fā)現(xiàn),并非保溫板厚度越大,凍深下降的速率就越快,反而出現(xiàn)先快后慢的現(xiàn)象,因此要從中選取最優(yōu)的保溫板厚度。在現(xiàn)實工程中,假如能確定出最優(yōu)厚度,既能減少材料費用,還能合理控制人工成本。

    表4 渠道偏坡板后各模型渠基土凍深狀態(tài) /cm

    3.2 基于防凍脹保溫板新式構(gòu)造的砌襯板上應(yīng)力分析

    見圖5。

    圖5 混凝土砌襯板上基于保溫板不同厚度的應(yīng)力狀態(tài)

    通過圖5數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),即便不采用新型防凍脹構(gòu)造,冬季輸水渠道的最大應(yīng)力仍聚集于水面、空氣和混凝土砌襯板交界處,最小應(yīng)力則聚集于水面以下。

    通過圖6數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),渠道應(yīng)力降幅會隨著聚苯乙烯保溫板厚度的不斷增加而相應(yīng)地減小。相較于無保溫措施,新式保溫板改善凍脹應(yīng)力的性能優(yōu)勢更為顯著。鋪設(shè)厚8 cm的保溫板時,砌襯板上最大凍脹應(yīng)力會迅速下降48.23%。因此,將新式保溫板應(yīng)用于冬季輸水渠道工程中,可使混凝土砌襯板上應(yīng)力快速下降,從而避免混凝土砌襯層被破壞。通過數(shù)據(jù)分析也得知,并非鋪設(shè)越厚的保溫板,達到的效果就越理想,同樣也需要從中確定出一個最優(yōu)保溫板厚度,以確?;炷疗鲆r板上的應(yīng)力值能降到預(yù)期范圍。

    3.3 基于防凍脹保溫板新式構(gòu)造的砌襯板上移位分析

    見圖7。

    圖6 砌襯板上基于保溫板不同厚度的應(yīng)力態(tài)勢曲線

    圖7 混凝土砌襯層上基于保溫板不同厚度的移位分布

    通過上圖7數(shù)據(jù)分析得知,新式防凍脹構(gòu)造能避免大幅度凍脹移位現(xiàn)象的發(fā)生,鋪設(shè)不同厚度的保溫板,達到的移位控制效果明顯不同。正常情況下,保溫板厚度越大,混凝土砌襯層上移位就越顯著,但水面以下則不會出現(xiàn)移位。

    由圖8可知,在未采取任何防凍脹措施的情況下,凍脹移位最高達到3.23 cm,而加施厚8 cm的保溫板后則迅速降至1.54 cm,凍脹量削減52.32%,由此說明苯乙烯保溫板能有效控制凍脹移位。另外,由于無需在水面以下鋪設(shè)保溫板,也就大大降低了工程造價。通過實驗?zāi)M分析發(fā)現(xiàn),選用厚14 cm保溫板時冬季輸水渠道移位最高僅為1 cm,而且梯形渠道法向容許移位也被控制在0.5~1.0 cm,因此在本工程中選用14 cm保溫板可滿足現(xiàn)實需求。

    圖8 砌襯板上基于保溫板不同厚度的移位態(tài)勢曲線

    4 結(jié) 語

    本研究借助ANSYS工程模擬計算系統(tǒng)開展專題數(shù)理模擬計算,探究聚苯乙烯保溫技術(shù)渠道冬季防凍工程應(yīng)用條件下的凍深與溫度場、砌襯板上應(yīng)力與應(yīng)變的基本技術(shù)狀態(tài)規(guī)律。主要結(jié)論如下:①基于防凍脹保溫板新式構(gòu)造的凍深和溫度場分析揭示,覆蓋厚8 cm的保溫板后凍深降比可達30.63%,但凍深下降的速率并非與保溫板厚度始終正相關(guān);②基于防凍脹保溫板新式構(gòu)造的砌襯板上應(yīng)力分析揭示,渠道應(yīng)力降幅會隨著聚苯乙烯保溫板厚度的不斷增加而相應(yīng)地減小,鋪設(shè)厚8 cm的保溫板時,砌襯板上最大凍脹應(yīng)力會迅速下降48.23%;③基于防凍脹保溫板新式構(gòu)造的砌襯板上移位分析揭示,選用厚14 cm保溫板時冬季輸水渠道移位最高僅為1 cm,而且梯形渠道法向容許移位也被控制在0.5~1.0 cm,因此在案例工程中選用14 cm保溫板可滿足現(xiàn)實需求。

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