基于有限元的混凝土襯砌渠道凍脹性能研究

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(遼寧省農村水利建設管理局， 沈陽 110003)

基于有限元的混凝土襯砌渠道凍脹性能研究

王圣海，張通，王喬

(遼寧省農村水利建設管理局， 沈陽 110003)

凍害分析及防治研究是混凝土襯砌渠道設計和運行管理研究的一個重要課題。本文在分析了影響混凝土襯砌渠道凍脹特性的土質條件、水分條件等因素后，結合有限元技術，對一大U形混凝土襯砌渠道進行建模仿真，通過將數值模擬仿真結果與實際特性相比較，驗證了有限元技術在渠道凍脹研究方面的可行性和準確性。

混凝土襯砌； 渠道； 凍脹性能； 數值模擬仿真; 有限元

我國是一個人均占有水資源量較少的國家。節約用水已成為我國水資源可持續利用發展的戰略性措施，而農業灌溉節水又是該項目實施的重點。一些文獻資料表明，我國農業用水量大約為3600億m3，占全國年用水總量的60%以上，而其中農田灌溉用水量占農業用水總量的90%，占全國年用水總量的55%。灌溉渠道節水工程是提高農業用水利用效率的一種有效措施，因此，建設大量系統、可靠、經濟的輸配水節水渠系，對發展節水農業、緩解水資源短缺和供需矛盾具有實際意義[1]。

灌溉渠道防滲襯砌是減少輸配水沿程損失、提高水資源利用效率、增強渠道岸邊抗滑穩定性能及控制灌區地下水位工程中廣泛采用的技術措施。相關研究表明，沒有任何防護襯砌的土渠，其沿程滲漏損失水量約占整個渠道總引水量的35%～60%左右，水資源浪費十分嚴重。由此可見，渠道防滲襯砌所具有的節水潛力相當大。灌溉渠道防滲襯砌防護工程雖在很大程度上提高了渠道引水資源的綜合利用效率，促進了節水農業的可持續快速發展，但在季節性凍土灌溉區，渠道襯砌結構的凍脹破壞問題一直是制約灌溉渠道工程建設發展的一大難題。通過一系列大型灌區普查發現，渠道襯砌陰坡的平均凍脹率可達到72.6%，陽坡為27%。灌溉渠道襯砌凍脹問題，不僅影響到渠道工程高效、經濟和安全運行，同時還給灌區工程實際運行管理帶來巨大困難，大大縮短了水利工程綜合使用壽命，因此，對渠道凍脹破壞的影響因素進行深入研究，就成為水利工程工作人員研究的一個重要課題[2]。

1 渠道混凝土襯砌結構凍脹機理

渠道混凝土襯砌結構凍脹過程是一個隨溫度變化，由表及里、由淺入深的逐步演變過程。不同渠道混凝土襯砌面上冰晶體形成過程如圖1所示：

圖1 不同混凝土凍結鋒面上冰晶體形成過程

由圖1可知，凍結線是已凍土和未凍土的分界線。當渠道運行外界環境溫度低于結冰點時，首先會在混凝土襯砌面和原土層接觸面間的孔隙處產生一定量的冰晶體，在土層毛細力推動下，渠道土體中所含的水分會向冰晶體遷移，在外部環境溫度影響下，轉換成冰晶體，使冰晶體越積越大。隨著外部溫度繼續降低，在渠道地基土等孔隙中會產生冰晶體，同樣在土體內部毛細力作用下，地基深處的水分會向上遷移，產生冰晶體，使土體凍脹冰晶體更大，促使渠道土體體積不斷膨脹發生隆起、頂起襯砌板裂縫等破壞現象。

2 引起渠道發生凍脹的主要因素

由于渠道混凝土襯砌發生凍脹涉及到外部環境溫度、內部地基土質、土密度等多種因素，因此，不能簡單利用一個簡單的模型來描述整個凍脹破壞過程。我國大量混凝土凍脹研究學者研究經驗表明，影響渠道混凝土襯砌凍脹的敏感性因素主要為土、水、溫以及附加荷載四大因素[3]。

2.1 土質條件

渠道地基土質是影響凍脹性能的一個重要因素。土的分散性是渠道地基土在發生凍結時影響水分遷移性能和凍脹強度的決定性因素。隨著土體粒徑變細，土粒與水間的相互作用力將增強，同時土壤的滲透性能將被削弱，當土體為粉粒含量占主要部分時，渠道地基土的凍脹性最強，而對于黏粒物質占主要成分時，土粒與水分間的作用力將很強，但同時由于土壤滲透性驟減，阻礙了凍結時土體中水分向凍結區遷移，在這種條件下渠道地基土凍脹性反而會降低。此外土壤中礦物質和土壤含鹽量也對渠道混凝土凍脹性能有較大影響。

2.2 水分條件

土質中含水量的多少，是渠道土在凍結時能否發生凍脹現象的直接決定因素。當渠道土發生凍結析出冰時，凍脹程度不可能隨土體含水量的增長而無限制增長，即當土體中含水量達到某一極限值時，土體凍脹性能也會達到一個最大值，超過該極限值時，土體凍脹破壞性能將下降。因此，水分含量也是渠道凍脹性能研究的一個重要對象。

2.3 溫度條件

顯然，只有當渠道外部大氣溫度低于土壤水的實際凍結溫度時，才可能在渠道土中發生冰析出現象。

2.4 附加荷載

在渠道襯砌過程中，通常會在地基土層上覆相應的附加荷載，一方面可以使土層通過壓縮固結脫水，降低土體中的含水量，增加土體相應的密實度，使土壤水導濕率發生改變，達到抑制土體水分遷移速率的效果；另一方面，只有土體凍結過程中在冰透鏡體生長面上所產生的凍脹應力等于或大于其上覆附加的荷載力時，渠道才可能出現凍脹現象[4]。

3 U形渠道混凝土襯砌凍脹性能分析

根據渠道外觀尺寸大小可以將U形渠道分為小U形和大U形兩大類。小U形混凝土襯砌渠道具有剛度大、整體性能好等優點，對基土的凍脹約束性改善較明顯，且混凝土襯砌凍脹量分布較為均勻，弧底反拱作用效果明顯，能有效利用混凝土自身的良好抗壓性能，獲得較強的承載能力，且在凍土消融后，復原能力較強，不易產生凍脹破壞現象。大U形混凝土襯砌渠道雖從外觀來看也屬于U形渠道(如下頁圖2所示)，但由于大U形渠道斷面尺寸較大，各部位的坡向坡度均不同，日照接收強度也不一，加上土質、水分、風力外部自然條件因素等差異，渠道混凝土面上各部位的凍結狀態和強度也有很大不同。

圖2 大U形混凝土襯砌渠道斷面

實際工程經驗表明,大U形混凝土襯砌渠道凍脹破壞性能主要表現為：渠道上部凍深較大，越往底部凍深越小，陰坡溫度低凍深較大，陽坡溫度高凍深較小，且驅動凍脹方向為渠側向里渠底向上；從渠道整體來看，沿渠道軸線方向，在陰坡直線段下部其凍脹應力作用較大，是最容易發生凍脹破壞出現裂縫的地方[5]。

4 基于有限元的混凝土襯砌渠道建模仿真

圖2所示的大U形混凝土襯砌渠道為整個仿真計算的原始模型，其基本參數值如表1所示：

表1 原大U形混凝土襯砌渠道基本參數

該渠道凍結期主要分布在12月和次年的1～2月，因此，文章選取12月、1月、2月作為監測期。其具體信息如表2所示：

表2 原大U形渠道各部位的表面月溫度及凍結期信息

4.1 有限元計算模型

在構筑有限元計算模型時，考慮到凍土融化過程是凍深逐漸減小的過程，因此，根據工程實際及溫度水分分布變化情況，對現有邊界條件的基礎從底板向下取150cm，同時左右邊界分別取75cm。按照圖2所示的大U形渠道斷面構成的有限元模型如圖3所示：

圖3 大U形混凝土襯砌渠道有限元模型

為更加直觀地顯示渠道混凝土襯砌板的凍脹應力分布情況，按照圖2所示，在混凝土襯砌板上選取1～9號共9個監測點，作為渠道凍脹特性的研究對象(最終選取典型的1、2、5、8、9共五個監測點數據進行繪圖分析)，分別比較各點的特性量變化情況。初始測量日為12月5日。凍土力學參數見表3。

表3 凍土力學參數

4.2 仿真模擬結果分析

通過仿真獲得該大U形混凝土襯砌渠道對應的監測點凍脹量變化曲線、法向應力變化曲線及切向應力變化曲線分別如下頁圖4～圖6所示：

從圖4～圖6可知，混凝土襯砌渠道各監測點在凍脹過程中相對于外部氣溫的負溫過程，凍脹量、法向凍脹力以及切向凍脹力均存在一定的滯后現象，這與工程實際中大U形混凝土襯砌渠道凍脹實際特性相符，說明本文所建立的有限元分析模型是準確可靠的，也為工程實際中進行渠道凍脹特性瞬態數值模擬提供了更加合理的研究思路。

圖4 五個監測點凍脹量變化曲線

圖5 五個監測點法向應力變化曲線

圖6 五個監測點切向應力變化曲線

5 結 語

在借助國內外關于混凝土凍脹研究現有的成果和技術基礎上，以大U形混凝土襯砌渠道為例，應用有限元進行了建模仿真，通過將仿真結果與實際大U形混凝土渠道凍脹特性相比，驗證了有限元技術在渠道凍脹特性方面研究的可行性和準確性，其仿真結果對分析和防治混凝土襯砌渠道凍脹破壞具有非常重要的技術指導意義。

[1] 李安國.渠道防滲工程技術[M].北京:中國水利水電出版社,1998.

[2] 楊洪文.黑河流域渠道襯砌工程抗凍脹模式及應用淺析[J].人民黃河,2006,28(10):55-56.

[3] 賈生海,程建萍.高寒地區灌溉渠系的防凍脹設計[J].節水灌溉技術,2007,26(2):65-68.

[4] 劉雄,寧建國,馬巍.凍土地區水渠的溫度場和應力場數值分析[J].冰川凍土,2005,27(6):932-938.

[5] 秦濤.石堡川灌區渠道防滲技術探討[J].陜西水利,2010(5):155-156.

Study of Concrete Lining Channel Frost Heaving Performance Based on Finite Element

WANG Sheng-hai, ZHANG Tong, WANG Qiao

(Liaoning Rural Water Construction Administration, Shenyang 110003, China)

Frost damage analysis and prevention study are important topics for concrete lining channel design and operation management research. In the paper, soil conditions, water conditions and other factors affecting concrete lining channel frost heaving features are analyzed, then finite element technology is combined for modeling and simulation on a large U-shaped concrete lining channel. Numerical simulation results are compared with actual characteristics to verify the feasibility and accuracy of finite element technology in research of channel frost heaving.

concrete lining; channel; frost heaving performance; numerical simulation; finite element

TV93

A

1005-4774(2014)12-0033-04