混凝土襯砌渠道保溫效果的研究

張棟+銀英姿+楊宏志

摘要：在北方寒旱區，防滲襯砌渠道面臨的難題之一就是凍害，凍脹破壞對水利工程的危害較大，因此剛性襯砌渠道的防凍脹研究是重要的工程技術問題。針對內蒙古自治區季節性凍土地渠道混凝土襯砌嚴重凍脹破壞現狀，提出在該地區渠道混凝土襯砌下面鋪設不同厚度的新型保溫材料聚氨酯保溫板來解決，并在該地區進行了現場試驗。通過采用數值模擬的方法，模擬現場各種保溫措施工況，并與實際監測得到的數據對比分析，得出該地區陰坡渠道采用6 cm厚的聚氨酯保溫板可削減凍脹量12.5 cm，削減凍深35 cm，凍脹削減率達到80%。在滿足渠道凍脹原則的情況下，可有效地阻止襯砌體凍脹損壞。不僅解決了渠道襯砌凍脹破壞問題，而且為后續渠道襯砌施工中聚氨酯保溫板厚度設計提供了技術支撐。

關鍵詞：混凝土襯砌渠道；保溫效果；聚氨酯；數值模擬

中圖分類號：TV698.2+6.14 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）04-0745-04

在季節性凍土地區，防滲渠道剛性襯砌材料在凍融循環作用下凍脹破壞嚴重，每年都需要修復破壞的渠道，這不僅影響了渠道的正常運轉，而且花費了大量的人力與財力。20世紀80年代以來，國內一些學者紛紛對此進行了研究，取得了大量的成果，陳濤等[1]通過對大U形渠道進行凍脹機理試驗，摸清了渠道襯砌凍脹破壞機理；宋清林等[2]對混凝土襯砌渠道保溫防凍脹技術進行了比較試驗，提出了混凝土襯砌渠道保溫防凍脹最佳結構形式；程滿金等[3]提出了在混凝土襯砌下面鋪設聚苯乙烯保溫板來防凍脹；王正中等[4]、申向東等[5]、石嬌等[6]對渠道襯砌凍脹破壞的力學模型進行了探討；李爽等[7]、王正中等[8]對各種條件下混凝土襯砌渠道凍脹過程進行了數值模擬。雖然在渠道防凍脹方面取得了一系列研究成果，但是目前渠道混凝土襯砌防凍脹保溫板厚度的確定還沒有成熟的結論，很多地區只是根據大量的凍脹試驗及經驗來確定保溫板的厚度，這往往花費巨大。試驗以內蒙古自治區臨河地區南邊分干渠凍脹試驗為例，應用ADINA有限元分析軟件，對混凝土襯砌保溫渠道工況進行了模擬，并與現場試驗監測數據對比，分析了保溫材料的保溫效果，驗證了用軟件模擬實際工況的合理性，使后續渠道防凍脹保溫設計可以不用進行現場試驗而直接使用有限元分析軟件模擬來指導現場施工，為渠道襯砌防凍脹保溫板厚度的確定提供了一種經濟的計算方法，同時總結了聚氨酯保溫板應用于剛性襯砌渠道的適用條件，這將對渠道襯砌保溫防凍脹技術產生重要推動作用。

3 模擬結果分析

3.1 溫度場分析

陰坡渠道基土溫度場分布情況見圖3。與對比段工況溫度場比較，在混凝土襯砌下鋪設聚氨酯保溫板后，板下溫度梯度分布明顯變小，且6 cm厚聚氨酯板下溫度梯度大于4 cm厚聚氨酯板下的溫度梯度，這是由于聚氨酯保溫板導熱系數小，阻斷了冷空氣向下部基土的傳輸，使板下基土溫度升高，有效地防止了基土的凍脹。

3.2 位移場分析

陰坡渠道基土法向位移場分布情況見圖4。從圖4可見，對比段工況下表面凍脹量很大，最大達到16.1 cm；而鋪設保溫板后，凍脹量明顯減小，且6 cm厚聚氨酯工況比4 cm厚聚氨酯工況的凍脹量小。現場各種試驗工況下陰坡渠道基土法向最大位移模擬值（軟件模擬值）分別是對比段工況16.1 cm、4 cm厚聚氨酯工況5.3 cm、6 cm厚聚氨酯工況3.0 cm，這與表1中實測值基本吻合，最大誤差為7%，計算結果基本滿足了精度要求。說明陰坡采用6 cm厚的聚氨酯保溫板可削減凍脹量12.5 cm，消減凍深35 cm，凍脹削減率達到80%。在遵循渠道凍脹原則“避免、削減、適應一定凍脹量”的前提下，建議該地區陰坡渠道采用6 cm厚聚氨酯板，陽坡渠道聚氨酯板厚度可適當減薄，即可有效地阻止混凝土襯砌體的凍脹破壞。

4 小結

1）不論現場試驗還是軟件模擬結果，都證明梯形襯砌渠道采用硬質聚氨酯保溫板后可以有效地提高襯砌下基土的地溫、削減凍脹量，從而可以防止混凝土襯砌凍脹破壞。建議內蒙古自治區臨河地區陰坡渠道采用6 cm厚聚氨酯保溫板，陽坡渠道的保溫板厚度可適當減薄，這樣就可以有效地阻止混凝土襯砌渠道的凍脹破壞。

2）試驗中ADINA軟件模擬的結果與現場實測結果相差不大，可作為渠道襯砌工程抗凍脹設計的參考，建議今后渠道襯砌保溫板厚度的設計可以根據軟件模擬結果來選擇。

3）影響有限元分析結果精度的主要原因是材料力學參數，而目前西北大部分地區的凍土力學參數庫還不完善，很多數值模擬中參數選取只是參考資料或憑借經驗而定，模擬結果不能反映真實情況，今后力爭在這方面做出全面系統的測定。

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