聚苯乙烯保溫板在渠道防凍中的應(yīng)用

馬瑞忠（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆阿克蘇843000）

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聚苯乙烯保溫板在渠道防凍中的應(yīng)用

馬瑞忠
（新疆塔里木河流域阿克蘇管理局，新疆阿克蘇843000）

對(duì)渠道進(jìn)行防滲處理可以有效的節(jié)省灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水量，提高水的利用效率。目前，一些地區(qū)采用聚苯乙烯保溫板防止渠道出現(xiàn)凍脹破壞，提高渠道的使用壽命，這對(duì)于水資源緊缺的地區(qū)十分必要。基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，首先闡述了渠道現(xiàn)狀及存在問題，隨后采用有限元法對(duì)無保溫措施和使用聚苯乙烯保溫板的渠道進(jìn)行仿真。研究表明：使用不同厚度的聚苯乙烯板保溫板的渠道，其凍脹量削減程度并不相同，最佳保溫板厚度為邊坡6cm，渠底3cm。

聚苯乙烯；渠道設(shè)計(jì)；保溫板；防凍

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.01.031

對(duì)灌區(qū)渠道進(jìn)行防滲處理可以提高灌溉用水的利用率［1］。但我國冬季溫度較低，負(fù)溫度對(duì)渠道有一定破壞力。季凍區(qū)內(nèi)的渠道基土凍融可導(dǎo)致渠道出現(xiàn)滲漏，土壤中的水分凍脹導(dǎo)致基土膨脹，渠道襯砌出現(xiàn)裂縫、鼓包甚至折斷。渠道襯砌出現(xiàn)凍脹破壞不但影響灌溉使用，而且還會(huì)增加維護(hù)費(fèi)用，因此在凍土區(qū)修建渠道時(shí)，必須防止凍脹。但如何防止凍脹出現(xiàn)成為渠道工程中亟待解決的課題，對(duì)渠道進(jìn)行凍脹量計(jì)算，開發(fā)新型抗凍措施仍是今后課題研究的重點(diǎn)。目前，一些地區(qū)采用聚苯乙烯保溫板防止渠道出現(xiàn)凍脹破壞，提高渠道的使用壽命。基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本文首先闡述了渠道現(xiàn)狀及存在問題，隨后采用有限元法對(duì)無保溫措施和使用聚苯乙烯保溫板的渠道進(jìn)行仿真。希望為今后渠道防凍設(shè)計(jì)提供幫助。

1 工程概況

本文研究的灌區(qū)平均海拔1100m，設(shè)計(jì)灌溉面積90萬畝。目前有總干渠1條，渠道全長32.06km，年輸水量180000萬m3，擔(dān)負(fù)著整個(gè)灌區(qū)內(nèi)灌溉、下游灌區(qū)輸水、水庫引水等重要任務(wù)。干渠5條，渠道總長178.2km；支渠213條，渠道總長342km，支渠目前為混凝土梯形襯砌，縱坡0.5%～2%。這些混凝土襯砌渠道經(jīng)過近40年的運(yùn)行，老化、襯砌磨損很嚴(yán)重，大部分襯砌板存在滲漏，已無法滿足過水需求，農(nóng)作物長時(shí)間得不到有效灌溉，嚴(yán)重制約了灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展。因此需要對(duì)該渠系進(jìn)行修復(fù)，目前該渠系存在的問題有以下方面［2-3］。

（1）渠道邊坡和渠底磨損較為嚴(yán)重，多處存在大面積的襯砌剝落現(xiàn)象；

（2）梯形渠道出現(xiàn)了嚴(yán)重變形，存在擁包和凹陷，邊坡生長的雜草嚴(yán)重影響通流能力；

（3）部分渠段的渠道超高較小，洪水期渠道安全性較差。

灌區(qū)氣候干燥，降水量集中在夏季和秋季，晝夜溫差最大可達(dá)20℃，為半干旱型大陸氣候，年平均溫度為8.9℃，年均降水量為354mm，年蒸發(fā)量達(dá)1824mm，最大凍土深度達(dá)1.1m。渠基土質(zhì)為粉質(zhì)黃土，透水性極好，地下水埋藏深度為4m，因此該渠系屬于封閉性凍脹系統(tǒng)，對(duì)渠道凍脹情況進(jìn)行測量，測量結(jié)果見表1。

表1 渠道凍脹情況

2 聚苯乙烯保溫板對(duì)渠道的影響

2.1 模型建立

選擇總干渠7km +059.71～7km +859.6段，合計(jì)800m渠道為研究對(duì)象，渠道縱坡共有3段，渠道縱坡4.54‰～8.97‰。從渠頂處向下取10m作為研究區(qū)域的下邊界，左右取2.5m作為研究區(qū)域的側(cè)邊界，由前文可知陰坡、渠底、陽坡的最大凍結(jié)深度分別為84、51.3、74.6cm，因此將研究區(qū)域分為2部分，凍土區(qū)和未凍土區(qū)。

對(duì)于采用聚苯乙烯保溫板和不采用聚苯乙烯保溫板的混凝土襯砌渠道共設(shè)置6種模型作為研究對(duì)象。模型1為未鋪設(shè)保溫板的渠道，其余模型為鋪設(shè)不同厚度保溫板的渠道，其鋪設(shè)方案具體情況見表2。通過對(duì)比不同厚度保溫板渠道的溫度場和應(yīng)力場，即可得出每種鋪設(shè)方案的凍脹量，通過對(duì)比切削凍脹量的程度即可得出最優(yōu)方案。

表2 聚苯乙烯保溫板鋪設(shè)方案

對(duì)各種方案進(jìn)行分析時(shí)采用穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分析，因此襯砌及保溫板的溫度場分布只與保溫板和襯砌的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。由于土壤中水分的存在，導(dǎo)熱系數(shù)并不是固定值，根據(jù)試驗(yàn)測量可知，渠道邊坡50%處土體的含水量約為20%，渠道底部土體的含水量約為30%。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，20%含水量的土體導(dǎo)熱系數(shù)為0.57W/（m·℃），30%含水量的土體導(dǎo)熱系數(shù)為1.1W/（m·℃）［5］。根據(jù)線性分布原則，以這兩處土體的導(dǎo)熱系數(shù)為基準(zhǔn)，進(jìn)行線性插值，求得其他位置的導(dǎo)熱系數(shù)。對(duì)于混凝土襯砌，取其導(dǎo)熱系數(shù)為1.46 W/（m·℃）。鑒于地表5m以下土體含水量極高，部分渠段已接近地下水位，綜合考慮地下水、電解質(zhì)的影響，取其導(dǎo)熱系數(shù)為4.67W/（m·℃）。

在進(jìn)行力學(xué)性能分析時(shí)，通過膨脹系數(shù)來衡量渠道凍脹情況。渠道的凍脹率為η，月平均最低溫度為Tmin，則膨脹系數(shù)為η/Tmin。凍土彈性模量和屈服強(qiáng)度對(duì)其力學(xué)性能有著重要影響，表3給出了凍土的力學(xué)性能參數(shù)。

表3 凍土的力學(xué)性能參數(shù)

聚苯乙烯保溫板是一種良好的隔熱材料，具有親水性低，不透氣、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)渠道防滲技術(shù)規(guī)范中的渠道保溫板要求，本文采用的聚苯乙烯保溫板密度為20kg/m3，吸水率僅為2.1%，壓縮10%的壓縮強(qiáng)度為0.24MPa，彎曲變形為25mm，70℃高溫下2天后的變形率為4%，導(dǎo)熱系數(shù)為0.035 W/（m·℃），完全符合規(guī)范中對(duì)保溫板的要求。

2.2 邊界條件

現(xiàn)狀渠道斷面為梯形斷面，因此可以采用2維模型進(jìn)行計(jì)算，耦合方式為直接耦合［6］。但是渠道運(yùn)行40年，且每年進(jìn)行維修，渠道形狀已不規(guī)則，為了簡化分析近似認(rèn)為渠道為梯形斷面。對(duì)于模型下邊界，其溫度可認(rèn)定為恒定值，取當(dāng)?shù)仄骄鶞囟?.9℃。對(duì)于模型上邊界，其各個(gè)部位的溫度并不相同，計(jì)算時(shí)需要考慮陰坡和陽坡的光照程度，由當(dāng)?shù)貎鼋Y(jié)期內(nèi)的平均溫度推導(dǎo)出渠道各個(gè)部位的溫度。對(duì)于12月，陰坡溫度為_4.98℃，陽坡溫度為_3.65℃，渠底溫度為_4.49℃。上邊界采用自由邊界，下邊界為固定邊界，左右邊界為水平約束邊界。

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)際情況，采用有限元法對(duì)各方案進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 各方案渠道削減凍脹量

從計(jì)算結(jié)果看，當(dāng)保溫板厚度為2cm時(shí)，各部分的凍脹量削減很少，不能滿足防凍要求。增加保溫板厚度，凍脹量削減情況明顯提升，由于混凝土襯砌允許的最大凍脹量為1cm，當(dāng)渠底保溫板厚度為3cm時(shí)，已能達(dá)到防凍要求。同理可得出，陰坡、陽坡保溫板厚度為6cm時(shí)，已能達(dá)到防凍要求。鋪設(shè)保溫板后，導(dǎo)熱系數(shù)減小，提高了渠基土體和襯砌的溫度，減少了水分遷移，因此鋪設(shè)聚苯乙烯保溫板具有較好的防凍效果。

3 結(jié)語

渠道襯砌出現(xiàn)凍脹破壞不但影響灌溉使用，而且還會(huì)增加維護(hù)費(fèi)用，因此在凍土區(qū)修建渠道時(shí)，必須防止凍脹。基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本文首先闡述了渠道現(xiàn)狀及存在問題，隨后采用有限元法對(duì)無保溫措施和使用聚苯乙烯板保溫板的渠道進(jìn)行計(jì)算。研究表明：當(dāng)渠底保溫板厚度為3cm，陰坡、陽坡保溫板厚度為6cm時(shí)，渠道已能達(dá)到防凍要求；鋪設(shè)保溫板可以減小導(dǎo)熱系數(shù)，提高渠基土體和襯砌的溫度。

［1］于洪.渠道防凍脹中塊石套砌加固措施的應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古水利，2015（02）：82-83.

［2］徐杰.新疆地區(qū)渠道襯砌混疑土抗凍脹設(shè)計(jì)［J］.陜西水利，2012（02）：92-94.

［3］李鵬，趙云，申世吉.大安灌區(qū)工程渠道襯砌型式的研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014（04）：92-94 +98.

［4］趙云，李鵬.大安灌區(qū)總干渠工程的防凍脹措施［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014（04）：95-98.

［5］陳雯龍.新疆混凝土防滲渠道凍脹破壞成因分析及防凍脹措施［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2011（03）：45-47 +55.

［6］張建，梁小璇.新疆北疆某渠道設(shè)計(jì)在實(shí)際中的應(yīng)用［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2010（03）：62-64.

TV49

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1672-2469（2016）01-0096-02

2015-09-23

馬瑞忠（1972年—），男，工程師。