寒區梯形灌溉渠道聚苯板保溫與防凍脹效果研究

夏治濤

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 伊寧 835000)

我國的北緯30°以北的地區一般都屬于季節性凍土區，在這些地區的地表，一般都存在一層冬季凍結、春夏融化的凍融層。土層的凍融循環過程是一種強風化作用，可以對土體的基本結構和物理力學性質產生顯著影響[1]。我國北方季節性凍土區的渠道以土質邊坡為主，在凍融作用的影響下，土壤的凍脹對渠道的建設和運行造成比較嚴重的破壞[2]。近年來，雖然在土質邊坡渠道防凍脹工程技術方面取得了較大成就，但是渠道凍脹破壞現象并沒有得到根本解決[3]。

新疆某攔河引水樞紐及干渠工程，全長128km，設計流量60m3/s，加大流量68m3/s，屬大(1)型Ⅰ等工程。該地區為典型的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為4.5℃，極端最高氣溫39℃，極端最低氣溫-42℃，冬季土壤最大凍結深度為1.5m。干渠沿線多段地下水位較高，且渠道的土質均為黃土、粉質壤土和壤土，現澆混凝土襯砌板如不采取任何防凍脹措施，一般3～5a即會發生不同程度的凍脹破壞[4- 5]。在干渠建設過程中，對高地下水位段渠道進行了聚苯乙烯板防凍脹處理，但是并沒有提出適宜的鋪設厚度，不同厚度的聚苯板鋪設不僅造成渠道的保溫防凍脹效果參差不齊，同時也不利于充分發揮有限改造資金的作用。因此，本次研究以干渠樁號30+400-35+500段高地下水位段為例，對梯形渠道聚苯板保溫與防凍脹效果進行數值模擬研究，以期為后續的渠道設計提供理論支持。

1 數值計算模型的構建

1.1 幾何模型與邊界條件

本次研究選擇ADINA有限元軟件進行研究渠段的有限元計算模型構建[6]。研究渠段選取的是3#支渠作為數值模擬計算的渠道原型。該渠道全長5.1km，渠道的底板寬度為4.0m，深度為5.1m，渠道邊坡的坡度為1∶2，縱坡的坡度為1/10000。邊坡和底板的厚度均為10cm的C20號混凝土預制板砌筑。研究中根據該段渠道的尺寸建立典型渠道的幾何模型。根據原型渠道的凍脹觀測結果，將模型的上部邊界設置為空氣對流邊界條件，模型的下邊界為凍深邊界，渠道陽坡、陰坡的法向凍深分別為75和39cm，渠底的法向凍深則由75cm過渡到39cm。在數值模型的構建過程中，將渠道的凍土與混凝土襯砌板視為一個整體進行有限元數值模擬[7]。季節性凍土區渠道的基土凍脹過程十分復雜，會受到溫度、土質、水分含量以及地下水位高度等諸多因素的影響，很難進行精準模擬。因此做出如下假定，盡量簡化模型，以利于研究的順利進行。首先，假定研究渠段的基土為具有均質、連續以及各向同性特征；研究中土質、水分以及地下水位條件不變，基土的凍脹僅和負溫有關；鑒于渠道的基土凍融過程歷時較長，因此認為該過程為穩態熱傳導，不考慮吸熱和放熱的影響；沿渠道方向不存在溫度上的差異，因此采用二維平面模型進行溫度荷載的應變研究[8- 11]。

1.2 模型的構建與計算參數

在模型的溫度場荷載定義時，由于模型的上部邊界與空氣直接接觸，因此將空氣傳導設為模型的間接傳導。模型的渠道溫度設定為當地的1月平均溫度實測值，其中陰坡為-8.41℃，陽坡為-3.39℃。由于模型的下部邊界為凍深邊界條件，因此該部位的溫度設定為0℃，溫度的傳導方式設置為直接傳導。對模型進行映射網格單元劃分，共獲得556個計算網格單元，其模型示意圖如圖1所示。

圖1 渠道有限元模型示意圖

研究中結合取樣實測結果和相關研究結論，確定渠道土體、襯砌混凝土和聚苯板的有關參數，結果見表1—2。

表1 渠道土體基本參數

表2 各種材料的力學參數

1.3 模型的驗證

利用構建的模型對研究渠段的地溫變化進行模擬計算，并與實測數據進行對比，以驗證模型的可靠性。該段渠道鋪設了厚度為8cm的聚苯板，同時埋設了地溫監測系統。模擬計算結果與實測值的對比分析如圖2所示。由圖2可知，模型的模擬計算結果與實測結果比較接近，說明模型具有較高的預測精度，可以為后續研究提供穩定可靠的數值模擬計算結果。此外，由圖2可以明顯看出，隨著深度的增加地溫的增加幅度明顯減小，說明聚苯板的鋪設可以在30cm以上的土層中產生比較顯著的增溫效果[12- 14]。

圖2 模型驗證結果

2 計算結果與分析

2.1 保溫效果的計算結果與分析

為了研究不同厚度聚苯板的保溫效果，為最佳聚苯板厚度設計提供依據，研究中設定了2、4、6、8、10、12cm等6種不同厚度聚苯板計算模型，分別記為模型一至模型六，同時將無保溫板工況作為對比工況，利用上節構建的有限元模型對不同厚度聚苯板的保溫效果進行模擬計算。根據計算結果，提取不同聚苯板厚度條件下的基土凍土表層的最低溫度值，結果見表3。由表3中的計算結果可知，在鋪設不同厚度聚苯板保溫結構的情況下，研究渠段基土凍土表層最低溫度在-7.53～-1.77℃之間，相比沒有設置聚苯板保溫層工況，保溫效果可以提升27.60%～82.98%，要使保溫效果提升50%的工程設計要求，需要鋪設厚度為6cm以上的聚苯板。

表3 基土凍土表層的最低溫度值計算結果

2.2 防凍脹效果計算結果與分析

為了研究不同厚度聚苯板的防凍脹效果，為最佳聚苯板厚度設計提供依據，研究中利用上節構建的有限元模型，對模型一至模型六以及無保溫板工況等7種不同計算工況下的聚苯板防凍脹效果進行模擬計算。根據計算結果繪制出如圖3所示的不同計算工況下的渠道陰坡渠道基土凍脹量變化過程曲線。由圖3可知，無保溫渠段以及聚苯板厚度最小的模型一條件下的渠道陰坡凍脹量呈現出從坡面向渠底逐漸增加的趨勢，其中，無保溫段的凍脹量最大值為14.8cm左右。說明聚苯板厚度較薄時，難以起到明顯的防凍脹作用。模型二至模型六條件下，聚苯板的鋪設可以對渠道基土的凍脹產生比較明顯的抑制作用，其中聚苯板厚度在6cm以上時影響最為明顯，最大凍脹量均在2cm以內。因此，從抗凍脹效果角度來看，建議該段渠道鋪設厚度為6～8cm的聚苯板，可以在消減幾乎90%的凍脹量的情況下，具備較好的工程經濟性[15- 16]。

圖3 渠道陰坡渠道基土凍脹量變化過程曲線

3 結論

本次研究以某引水干渠改造工程為例，利用有限元數值模擬的方法，研究了不同聚苯板厚度對渠基保溫與防凍脹效果，獲得的主要結論如下。

(1)鋪設不同厚度聚苯板情況下，研究渠段基土保溫效果可以提升27.60%～82.98%；鋪設厚度為6cm以上的聚苯板即可滿足保溫效果提升50%的工程設計要求。

(2)聚苯板厚度較薄時難以起到明顯的防凍脹作用；鋪設4cm以上的聚苯板的可以對渠道基土的凍脹產生比較明顯的抑制作用，其中聚苯板厚度在6cm以上時影響最為明顯；建議該段渠道鋪設厚度為6～8cm的聚苯板，可以在消減幾乎90%的凍脹量的情況下，具備較好的工程經濟性。