補水方式對灌溉渠道渠基土凍脹特征的影響

羅洪海

(撫順大伙房水庫水源保護(hù)有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113000)

1 計算模型與方法

1.1 計算模型的構(gòu)建

目前，可以用于渠道基土和襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析的軟件較多，ABAQUS、ANSYS 等都是應(yīng)用比較廣泛的有限元軟件。其中，ANSYS軟件由美國ANSYS公司開發(fā)，可以用于襯砌結(jié)構(gòu)渠道的水熱力三場耦合分析，將較為復(fù)雜的渠基土凍脹物理因素影響轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^簡單的靜力學(xué)分析。因此，此次研究選擇該軟件進(jìn)行有限元計算模型的構(gòu)建[1]。

此次研究以遼寧省沈陽市某灌溉渠道為背景進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建。該段渠道為梯形斷面，具體尺寸為底寬0.8 m、渠深1.0 m，渠坡坡比為1∶0.8，其斷面示意圖如圖1所示。經(jīng)過工程現(xiàn)場的采樣試驗，渠基土為低液限粉質(zhì)砂土，在凍結(jié)過程中各方向的導(dǎo)熱系數(shù)變化不大，凍土的線膨脹系數(shù)為-1.27×10-3，彈性模量為45 MPa，泊松比為0.22，剪切模量為12 MPa。

由于東西走向的渠道陰坡和陽坡受到的日照強度不同，因此，渠基土的凍深也存在明顯的差異，研究中陰坡的法向凍深為121 cm，陽坡的法向凍深為107 mm。研究中將渠道的基土和混凝土襯砌結(jié)構(gòu)視為一個整體進(jìn)行模型構(gòu)建，然后，進(jìn)行水熱應(yīng)力耦合計算[2]。在模型的網(wǎng)格剖分過程中，采用自由劃分和人工控制相結(jié)合的方式進(jìn)行，最終獲得18 223個網(wǎng)格單元，19 235個節(jié)點。

1.2 邊界條件和計算過程

在相關(guān)研究中，溫度場邊界條件主要有溫度邊界條件、熱流邊界條件以及對流換熱邊界條件等三類[3]。此次研究中對模型的上邊界采用對流換熱邊界條件。根據(jù)工程現(xiàn)場的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，渠基土凍結(jié)前渠基表面的溫度為3.1 ℃。計算模擬時間為11月1日—次年的2月28日，歷時120 d。該時間段分為12組，以每10 d平均氣溫作為計算氣溫，其具體數(shù)值由當(dāng)?shù)貧庀筚Y料獲取。模型渠道基底采用溫度邊界條件，在計算過程中保持12 ℃的恒溫不變。模型的側(cè)面采用熱流邊界條件，其密度為0 kg/m3。

計算過程中將渠道基土視為各向同性的均質(zhì)線彈性材料，渠基土的相變溫度設(shè)定為-1 ℃，將基土凍結(jié)過程中的溫度作為凍脹的主要影響因素，將凍脹變形視為二維平面問題處理，忽略長度方向產(chǎn)生的差異[4]。

計算過程中待模型的初始靜力平衡之后，其溫度場的控制模型邊界溫度演變實質(zhì)為熱傳導(dǎo)過程，模擬計算采用顯式求解算法，運用各向同性的傳導(dǎo)方式對渠道基土凍脹過程進(jìn)行模擬計算[5]。

1.3 計算方案

試驗中主要考慮不同含水率和補水方式的影響，分析計算其凍脹特征。參考渠基土的實際情況，確定12%的基土含水率，同時確定如下三種補水方式方案：方案一將渠基土視為封閉化的系統(tǒng)，無外界補水。該方案主要針對地下水埋深較大且渠道冬季無水的情況。方案二考慮地下水補水影響。該方案主要針對地下水埋深較淺且渠道冬季無水的情況。方案三同時考慮地下水和渠道地表水補水，該方案主要針對地下水埋深較淺且渠道冬季過水的情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度場

利用構(gòu)建的有限元軟件對不同計算方案下渠基土的溫度場分布特征進(jìn)行計算，在計算結(jié)果中提取出渠基土最低溫度值。根據(jù)計算結(jié)果繪制出如圖2所示的渠基土最低溫度變化曲線。由圖2可以看出，試驗時段內(nèi)各方案下渠基土的最低溫度呈現(xiàn)出不斷降低并最終趨于穩(wěn)定的變化特點。在其余條件相同的情況下，渠基土的溫度受到補水方式的顯著影響，不同補水方案下渠基土的最低溫度存在比較顯著的差異。具體來看，渠基土溫度最低的為方案一，也就是封閉系統(tǒng)方案，其次為方案二和方案三。其中，方案一的溫度明顯偏低，方案二和方案三比較接近。究其原因，主要是等質(zhì)量的土凍結(jié)時釋放的熱量遠(yuǎn)小于水。因此，有外來水分補給的方案二和方案三的溫度降低速率相對較小。此外，方案三為渠道有水狀態(tài)，因此，可以進(jìn)一步阻止渠基土熱量向外界散失，溫度相對較高。

圖2 各方案渠基土最低溫度變化曲線

2.2 水分場

利用構(gòu)建的有限元軟件對不同計算方案下渠基土的水分場分布特征進(jìn)行計算，在計算結(jié)果中提取出試驗結(jié)束后不同深度的基土含水率。根據(jù)計算結(jié)果繪制出如圖3所示的渠基土含水率變化曲線。由圖3可以看出，不同方案的含水率隨深度變化特征基本一致，也就是隨著深度的增加，基土含水率呈現(xiàn)出不斷增加并趨于穩(wěn)定的變化特征。從不同方案的對比來看，相同深度土體含水率最小的為方案一，其次是方案二，土體含水率最大的為方案三。究其原因，主要是方案二和方案三水分補給比較充足，因此，整體含水率較大，而方案三的渠基土可以受到地下水和渠道水體的雙重補給，含水率最大。

圖3 各方案渠基土含水率變化曲線

2.3 凍脹量

利用構(gòu)建的有限元模型對不同計算方案下渠基土的凍脹變形特征進(jìn)行計算，在計算結(jié)果中提取出渠基土凍脹量的最大值。根據(jù)計算結(jié)果繪制出如圖4所示的渠基土凍脹量最大值變化曲線。由圖4可以看出，從計算結(jié)果可以看出，凍脹量呈現(xiàn)出先增大后趨于平穩(wěn)的變化趨勢，前70 d的凍脹量增速較大，之后凍脹量的增長極為有限。從不同計算方案的對比來看，方案一的凍脹量相對較小，方案二和方案三的凍脹量較大且比較接近，約為方案一的7倍左右。由此可見，渠道基土的含水率和水分補給是凍脹量的主要影響因素，在相關(guān)研究和工程設(shè)計中需要重點考慮。

圖4 凍脹量變化曲線

3 結(jié) 語

水體是導(dǎo)致土體凍脹的重要影響因素，對灌溉渠道而言，基土的水含量和補充方式直接影響基土的凍害程度。因此，研究和探討渠基土補水方式對凍脹特征的影響具有重要的理論意義和工程實用價值?；诖耍舜窝芯繌木唧w工程背景情況出發(fā)，設(shè)計3種不同的基土水分補給方式，并利用數(shù)值模擬的方式展開研究，獲得溫度、含水率以及凍脹量的變化特征。結(jié)果顯示，渠基土水分補給來源越豐富，其平均溫度和含水率越高，凍脹量越大。當(dāng)然，此次研究并沒有針對基土不同位置展開更詳細(xì)的研究，需要在今后進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。