余 勇

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830001)

中國興建了大量水利工程，但灌溉渠道利用率僅為55%左右，渠道的輸水損失主要包括水面蒸發(fā)、漏水和滲水損失，其中滲水損失約占總損失量的80%[1-2]。農(nóng)業(yè)輸水灌渠的主要是混凝土襯砌渠道，北方季節(jié)性凍土區(qū)渠基土凍脹破壞極為廣泛，灌渠滲水現(xiàn)象較為嚴重[3]。因此，渠道凍脹防治是提高灌溉水利用率的有效措施。國內(nèi)外學者針對灌渠凍脹破壞問題做了大量研究，趙彥琳[4]通過試驗觀測了隨溫度改變土體凍脹量和凍脹力的變化趨勢，按瞬態(tài)模式對模型施加溫度荷載，發(fā)現(xiàn)玻璃鋼襯砌渠道穩(wěn)定性和整體性較強；吉曄[5]將凍土視為橫觀各向同性線彈性材料，對東港地區(qū)渠道的凍脹破壞進行了詳細分析。劉群昌[6]選用柔性增強涂層與瀝青混凝土兩種抗凍材料，建立了渠道模型對混凝土襯砌進行研究，發(fā)現(xiàn)這種新型抗凍形式適宜推廣應(yīng)用。文章以甘肅省疏勒河灌區(qū)干渠為對象，對擠塑聚苯板在混凝土襯砌渠道凍脹防治中的應(yīng)用進行了研究，以期為渠道防滲抗凍設(shè)計提供參考。

1 研究方法

1.1 模型的建立

疏勒河灌區(qū)位于季節(jié)性凍土區(qū)，渠基土的凍融循環(huán)致使灌渠無法正常輸水。干渠渠道渠底寬1900 mm，坡長9000 mm，邊坡比為1∶3，左右水平邊界均為800 mm。在襯砌板連接處、坡腳處選取三條觀測線。為探明鋪設(shè)苯板對渠道凍深的影響，利用有限元分析法對渠道位移場和瞬態(tài)溫度場進行數(shù)值模擬，將未鋪設(shè)苯板和鋪設(shè)苯板的渠道模型分別作為空白組和試驗組。干渠混凝土襯砌板材料為C25混凝土，渠基土樣平均密度為1826 kg/m3，相關(guān)參數(shù)如表 1 所示。

表1 渠道結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

渠道模型左右邊界設(shè)為絕熱條件，上邊界選用日最低氣溫-時間函數(shù)作為溫度荷載，下邊界深度足夠達到穩(wěn)定溫度，取值為12 ℃。當外界環(huán)境溫度為年最低氣溫時，下邊界可視為常年溫度不變層，渠基深度為3 m和10 m模型溫度曲線近乎重合。深度為10 m模型凍深為44.51 cm，深度為3 m模型凍深為44.47 cm，相差僅0.04 m，表明模型計算結(jié)果已穩(wěn)定。苯板鋪設(shè)在混凝土襯砌板下方，且襯砌體與渠基土之間無接觸。復合襯砌施工過程中，基礎(chǔ)層選用中粗砂墊層，混凝土直接澆筑在土工膜。文章主要對苯板的保溫作用進行研究，建模時僅輸入C25混凝土襯砌板、苯板和渠基土三種材料參數(shù)。根據(jù)實地氣候和凍深延遲作用，推測凍深應(yīng)介于50～120 cm之間，網(wǎng)格采用上密下疏的劃分模式，單元選用PLANE55平面單元，共1213個單元，685個節(jié)點。

1.2 模型參數(shù)選取

假定渠基土為彈性材料，由于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的泊松比、彈性模量與溫度呈線性關(guān)系。灌區(qū)渠基土泊松比及彈性模量隨溫度的變化情況，如圖 1 所示。將凍土的統(tǒng)一凍脹系數(shù)作為負膨脹系數(shù)，渠基土凍結(jié)溫度接近于0 ℃，混凝土襯砌板線膨脹系數(shù)為1.1×10-5，泊松比為0.152，彈性模量為27 500 MPa；苯板的泊松比為0，線膨脹系數(shù)取0.04。

圖1 渠基土泊松比及彈性模量隨溫度的變化曲線

2 結(jié)果與分析

2.1 渠道凍深計算與分析

空白組瞬態(tài)溫度場計算結(jié)果如圖2所示，最低環(huán)境溫度出現(xiàn)在230 d，平均凍結(jié)深度約為44.91 cm；隨時間變化，渠道平均最大凍結(jié)深度大約為64.15 cm?？梢妼τ诃h(huán)境溫度而言，凍結(jié)深度的發(fā)展存在滯后效應(yīng)，隨氣溫變化渠基土表現(xiàn)為中間溫度低于0 ℃，上部和下部溫度大于0 ℃。渠基土上邊界溫度變化與環(huán)境溫度變化的曲線大致吻合，外部環(huán)境溫度變化使得空白組渠基土發(fā)生凍融循環(huán)，在凍融和滲漏的交替作用下，產(chǎn)生裂縫的襯砌板極易加劇凍脹損害。

圖2 空白組凍深隨時間的變化曲線

試驗組組渠道模型瞬態(tài)溫度場計算結(jié)果，如圖 3 所示，環(huán)境溫度為-20 ℃時，試驗組1(圖3a)、試驗組2(圖3b)、試驗組3(圖3c)，即鋪設(shè)1 cm、3 cm、5 cm苯板渠道模型的平均凍結(jié)深度分別為31.65 cm、10.99 cm、0.24 cm，相對于空白組渠道模型凍結(jié)深度分別減小了13.25 cm、33.90 cm和44.65 cm。低氣溫條件下，鋪設(shè) 1 cm、3 cm、5 cm苯板渠道平均1 cm苯板凍結(jié)深度減小量分別為13.25 cm、11.30 cm和8.93 cm，1 cm的苯板平均減少凍深為11.16 cm。

圖3 試驗組凍深隨時間的變化曲線

試驗組1渠道模型三組觀測線所對應(yīng)的最大凍結(jié)深度分別為38.23 cm、57.30 cm和48.29 cm，對應(yīng)的最大平均凍結(jié)深度為47.95 cm，相較于空白組渠道模型凍結(jié)深度減少了16.21 cm。試驗組2渠道模型三組觀測線所對應(yīng)的最大凍結(jié)深度分別為13.55 cm、29.95 cm和21.26 cm，最大平均凍結(jié)深度為21.58 cm，相較于空白組渠道模型凍結(jié)深度減少了42.57 cm。試驗組3中對應(yīng)的最大平均凍結(jié)深度為3.30 cm，相較于空白組渠道模型凍結(jié)深度減少了60.86 cm。在年最低氣溫條件下，三組觀測線中觀察線2所對應(yīng)的凍結(jié)深度均為最大值。最大凍結(jié)深度下每 1 cm苯板平均減少凍結(jié)深度為14.19 cm，依據(jù)文獻[6]說明瞬態(tài)溫度場結(jié)果較為可靠。

綜合年最低溫度和年最大凍結(jié)深度下苯板對凍深減弱效果的試驗結(jié)果，隨著苯板鋪設(shè)厚度的增加，對凍深減弱的效果隨之降低。選用合理厚度的苯板可以有效節(jié)約成本，疏勒河灌區(qū)使用5 cm和7 cm苯板模型的保溫效果相差較小。相對于僅選取年最低氣溫時的凍結(jié)深度，整年的凍深觀測更為準確，而且苯板對渠基的保溫效果可延遲渠基土負溫的產(chǎn)生，持續(xù)觀測1 a的試驗數(shù)據(jù)中苯板的作用效果更為顯著。三組試驗組渠基土上邊界最低溫度分別為-12.357 ℃、-5.424 ℃和-1.573 ℃，邊界最低溫度相對于空白組分別延遲了16 d、31 d和39 d。主要是因為苯板具有低導熱系數(shù)特性，傳熱速率極慢，渠基負溫時間明顯延后，苯板達到一定厚度時，即使環(huán)境溫度持續(xù)處于負溫狀態(tài)中，渠基土在該階段也不出現(xiàn)負溫。從比較中可以看出，隨著苯板在渠道中鋪設(shè)厚度的增加，苯板對渠道基底土負溫的延遲效應(yīng)逐漸減小。鋪設(shè)苯板后，0 ℃以下的天數(shù)逐漸減少，選擇5 cm苯板時，渠道的防凍效果最好。與空白組相比，鋪設(shè)苯板能有效地提高渠道地基的溫度，防止冷空氣進入土體，并通過環(huán)境溫度的影響大大降低了內(nèi)部溫度。

圖4 渠基土上邊界溫度隨時間的變化曲線

2.2 渠道凍脹計算與分析

渠道對稱軸右側(cè)凍脹量計算結(jié)果如圖5所示，可見，渠道底部的凍脹量最大，其次是渠道邊坡水平邊界與上邊界的連接處。由于該點受到兩個方向的低溫荷載作用，凍脹量較大。結(jié)合溫度場計算結(jié)果，水平邊界、渠道邊坡和渠道底部的凍脹率分別為3.76%、4.18%和6.84%，平均凍脹率約為4.93%。與室內(nèi)計算結(jié)果相比，絕對誤差為0.178%，滿足工程精度要求。由于混凝土襯砌板強度高、自重大，對渠基土凍脹有明顯的的抑制作用。由于與外界環(huán)境直接接觸，渠坡水平右邊界位置承受多個方向的溫度荷載，同時一定程度上混凝土襯砌板有著顯著的保溫效果，凍脹量必然大于其他坡面位置，由于斜坡面和水平坡面為兩個整體，連接縫隙處基土凍脹量得以釋放。

圖5 空白組凍脹位移數(shù)值模擬展開圖

2.3 渠道位移場計算與分析

試驗組凍脹量計算結(jié)果，如圖6所示。可以看出，試驗組1、試驗組2和試驗組3的最大凍脹量均出現(xiàn)在渠底中央處，凍脹量分別為29.81 mm、15.57 mm和5.61 mm。一方面渠底未鋪設(shè)苯板，漿砌塊石的保溫性能遠低于苯板-混凝土，凍脹量必然會大于其他位置。另一方面，混凝土襯砌板硬度高、自重大，在一定程度上能夠抑制渠基的凍脹，坡腳處承受渠坡和渠底凍脹力作用時，漿砌塊石需承受多方向不均勻凍脹力。由于渠底未鋪設(shè)苯板和混凝土襯砌板，試驗組中凍脹形式為自由凍脹，平均凍脹量分別為 25.28 mm、14.17 mm、4.30 mm。與空白組相比，1 cm苯板平均可減少凍脹量為6.44 mm。

圖6 試驗組凍脹位移結(jié)果

空白組渠道模型中，渠道斷面中最大凍脹量位于渠底中部，加入苯板后渠基土上邊界隨著苯板厚度增加，凍脹量不斷減小。由于襯砌板自重能夠抵抗部分凍脹力，疏勒河灌區(qū)渠基主要表現(xiàn)為原位凍脹，鋪設(shè)5 cm苯板完全滿足凍脹防治要求。可以看出，隨苯板鋪設(shè)厚度的增加，渠底至渠頂?shù)膬雒浳灰期呌谄骄?，苯板能縮短凍結(jié)期，基土水分遷移聚集時間變短，且基土負溫狀態(tài)持續(xù)時間明顯減少。因此，隨著苯板厚度的增加渠道凍脹位移的變化趨勢并不明顯。

3 結(jié) 論

利用ANSYS 有限元軟件對疏勒河灌區(qū)干渠進行了數(shù)值計算，并與加設(shè)苯板的渠道模型結(jié)果進行比對，解決了原位試驗困難的問題，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域土樣為粉質(zhì)黏土，瞬態(tài)溫度場和位移場計算結(jié)果顯示凍深的發(fā)展具有滯后性，平均1 cm 苯板可減少6.44 mm的凍脹量和14.19 cm凍深，結(jié)果較為準確。綜合數(shù)值模擬計算結(jié)果和灌區(qū)實測資料，推薦鋪設(shè)5 cm苯板對于該灌渠凍脹防治最為經(jīng)濟合理。研究結(jié)果對干渠凍脹防治具有重要的參考意義。