冬季渠道防凍脹聚苯乙烯保溫技術狀態分析

毛 照，王學智

(江西省水利水電建設有限公司，南昌 330000)

1 案例渠道概況及模型參數

1.1 案例渠道概況

本研究案例渠道位于某河流域中游，該渠道即便在氣溫較低的冬季亦能正常輸水應用。渠道總長4.153 km，兩側邊坡坡度值1∶1.5，縱坡坡度值1/1 400，渠底寬3 m、深度4.5 m，混凝土厚度基本保持在0.15 m左右。

該輸水渠道表面主要由兩種材料堆砌而成：一是C15混凝土；二是漿砌卵石。由于多年冬季輸水運行，導致多數渠段遭受嚴重損壞。案例輸水渠道局部凍脹損壞狀態見圖1。

圖1 案例輸水渠道局部凍脹損壞

1.2 渠道模型和參數選擇應用

在本研究中，通過案例工程的深度剖析，決定分別對輸水和停水這兩種渠道進行全面且有效地模擬分析，同時將非凍土層、凍土層和混凝土砌襯板看作是不可分割的整體。模型構建詳見圖2及圖3。渠道基土是透水性較好的粉質壤土，渠道所在地的地下水深超過4 m，但地下水影響在輸水渠道凍脹時可直接忽略，可將總渠道凍脹視為封閉式凍結系統。

圖2 停水渠道模型(單位：cm)

圖3 輸水渠道模型(單位：cm)

兩種計算模型均以實體工程規格為依托，唯一不同在于輸水渠道水體加深了2 m。兩種模型的規格參數具體如下：渠道深4.5 m，渠頂部長3 m，Ⅰ區凍土部分、Ⅱ區未凍土部分和Ⅲ區深層土體部分的深度值分別為1.6、4.9及5.5 m。從渠頂到Ⅲ區底部的總深度為12 m。由于本工程實測數據不充分，只能參考同類工程的相關數據信息，并以此作為模型參數設置的重要依據。查閱《凍土物理學》后進一步得知，若渠底和渠坡中部的含水量分別為30%和20%，可將其導熱參數分別定義為分別是0.57 W及1.10/(m·℃)，之后依照垂向部位坐標插值確定出其他部位的導熱常數，凍土的凍脹常數為α=-η/t(1/℃)，實際上是負的熱膨脹常數。混凝土和渠道Ⅱ區未凍土的導熱常數分別為1.54和0.78 W/(m·℃)，正常情況下，地表5 m深度下的未凍土導熱常數會很大。出于深度方面的考量，將Ⅲ區未凍土體看作是導熱常數較大的深層土，并將其值設定為λb=4.7 W/(m·℃)。渠道上下邊界的溫度分別設定為10℃和11℃，在渠道水溫基本平穩的情況下，溫度演變介于0.5～1.7℃區間。在本研究中，將渠內水溫擬定為1℃，此時因為不會結冰，也就不會形成冰壓力。渠道兩側邊界只對X方向施壓，底部則同時對X及Y方向施壓。凍土的物理力學參數見表1，渠道土體和其他材料物理力學參數見表2。

表1 凍土主要技術參數 /MPa

表2 渠道材料和土體力學技術參數

2 凍脹渠道模型與模擬系統介紹

2.1 渠道凍脹模型

2.1.1 土體熱傳導計算方程

當大氣溫度達到冰點以下后，潛藏在土壤中的水分才會發生相變與遷移，從而使壤溫出現明顯變化。由于渠道是典型的細長構造，因此可將其看作是一個簡單的2D平面構造，并在此基礎上進行渠道整體熱傳導研究。根據現有理論確定出與渠道凍脹更匹配的二維熱傳導方程，即：

(1)

2.1.2 凍脹渠道本構計算方程

在大氣溫度持續下降的情況下，渠基土中的水分就會發生相變，由液態逐漸演變成為晶體狀態，同時會使大量水分聚集于凍結鋒面處和以上部位，造成土體體積增大，從而出現宏觀凍脹性移位現象。砌襯層與土體間的摩阻會對渠基土凍脹產生直接影響，并且渠道中水壓力受外力約束，也就會因溫度演變形成明顯的應力與應變。假設基土中各點均為各向同性體，而且完全自由，在溫度低于凍結溫度時，各方向上會形成同等正應變，即剪應變數值為零。結合理論研究，只要確定出不同工況下的熱傳導方程和應力場方程，就能直接推導出溫度及應力兩場耦合值。

渠道靜力平衡計算方程：

Lσ=0

(2)

幾何渠道計算方程：

ε=Lu

(3)

其中：

(4)

基于溫度的渠道本構方程為：

1）#1、#2、#3接地變及#1、#2站用變保護裝置面板無異常信號，采樣正常（接地變的三相電流均為0），一次設備運行正常；

(5)

式中：γxy、γyz、γzx為剪應變；εx、εy、εz為正應變；τxy、τyz、τzx為剪應力；σx、σy、σz為正應力；α為凍土自由凍脹常數或者混凝土的線膨脹常數；E為彈塑性模量；u為線移位；μ為泊松比；ΔT為溫差。

2.2 數理模擬應用系統

業界經常應用的數理模擬系統，使用頻率最高的當屬ANSYS、ABAQUS等系統。經多方面考慮與分析后，本研究決定采用ANSYS系統進行數理模擬。目前，此系統已憑借自身強大的功能優勢在熱力、航空等領域實現了規模化普及與廣泛應用。

3 輸水渠道冬季防凍脹聚苯乙烯保溫措施數理模擬

大部分情況下，渠道所用聚苯乙烯保溫板厚度為凍深的1/10～1/15，所以案例輸水渠道保溫板合理厚度介于11～16 cm范圍內。出于現實工程參考需要，本研究不同模型的冬季輸水渠道聚苯乙烯保溫板板厚取值具體見表3。

表3 不同模型的冬季輸水渠道聚苯乙烯保溫板板厚取值 /cm

3.1 基于防凍脹保溫板新式構造的凍深和溫度場分析

見圖4。

圖4 基于防凍脹保溫板新式構造的凍深和溫度場分析

通過圖4數據分析得知，在沒有采取任何保溫措施的情況下，偏坡板后渠凍深最高達到160 cm，在此部位鋪設不同厚度的聚苯乙烯保溫板后，其基土溫度明顯升高，尤其是水面以上的基土溫度升高最顯著，但水面以下的土體溫度幾乎無變化。通過模擬分析發現，此部分溫度分布相對比較均勻，均處于正溫狀態。另外，新式保溫防凍脹構造的性能優勢較為顯著。在沒有采取任何保溫措施的情況下，渠道凍深最高達到160 cm，而覆蓋厚8 cm的保溫板后凍深快速降為111 cm，其降比率高達30.63%，這也說明這種構造的保溫性能可靠，進而能將偏坡板后渠基土的溫度控制在合理范圍之內。通過表4數據分析進一步發現，并非保溫板厚度越大，凍深下降的速率就越快，反而出現先快后慢的現象，因此要從中選取最優的保溫板厚度。在現實工程中，假如能確定出最優厚度，既能減少材料費用，還能合理控制人工成本。

表4 渠道偏坡板后各模型渠基土凍深狀態 /cm

3.2 基于防凍脹保溫板新式構造的砌襯板上應力分析

見圖5。

圖5 混凝土砌襯板上基于保溫板不同厚度的應力狀態

通過圖5數據分析發現，即便不采用新型防凍脹構造，冬季輸水渠道的最大應力仍聚集于水面、空氣和混凝土砌襯板交界處，最小應力則聚集于水面以下。

通過圖6數據分析發現，渠道應力降幅會隨著聚苯乙烯保溫板厚度的不斷增加而相應地減小。相較于無保溫措施，新式保溫板改善凍脹應力的性能優勢更為顯著。鋪設厚8 cm的保溫板時，砌襯板上最大凍脹應力會迅速下降48.23%。因此，將新式保溫板應用于冬季輸水渠道工程中，可使混凝土砌襯板上應力快速下降，從而避免混凝土砌襯層被破壞。通過數據分析也得知，并非鋪設越厚的保溫板，達到的效果就越理想，同樣也需要從中確定出一個最優保溫板厚度，以確保混凝土砌襯板上的應力值能降到預期范圍。

3.3 基于防凍脹保溫板新式構造的砌襯板上移位分析

見圖7。

圖6 砌襯板上基于保溫板不同厚度的應力態勢曲線

圖7 混凝土砌襯層上基于保溫板不同厚度的移位分布

通過上圖7數據分析得知，新式防凍脹構造能避免大幅度凍脹移位現象的發生，鋪設不同厚度的保溫板，達到的移位控制效果明顯不同。正常情況下，保溫板厚度越大，混凝土砌襯層上移位就越顯著，但水面以下則不會出現移位。

由圖8可知，在未采取任何防凍脹措施的情況下，凍脹移位最高達到3.23 cm，而加施厚8 cm的保溫板后則迅速降至1.54 cm，凍脹量削減52.32%，由此說明苯乙烯保溫板能有效控制凍脹移位。另外，由于無需在水面以下鋪設保溫板，也就大大降低了工程造價。通過實驗模擬分析發現，選用厚14 cm保溫板時冬季輸水渠道移位最高僅為1 cm，而且梯形渠道法向容許移位也被控制在0.5～1.0 cm，因此在本工程中選用14 cm保溫板可滿足現實需求。

圖8 砌襯板上基于保溫板不同厚度的移位態勢曲線

4 結 語

本研究借助ANSYS工程模擬計算系統開展專題數理模擬計算，探究聚苯乙烯保溫技術渠道冬季防凍工程應用條件下的凍深與溫度場、砌襯板上應力與應變的基本技術狀態規律。主要結論如下：①基于防凍脹保溫板新式構造的凍深和溫度場分析揭示，覆蓋厚8 cm的保溫板后凍深降比可達30.63%，但凍深下降的速率并非與保溫板厚度始終正相關；②基于防凍脹保溫板新式構造的砌襯板上應力分析揭示，渠道應力降幅會隨著聚苯乙烯保溫板厚度的不斷增加而相應地減小，鋪設厚8 cm的保溫板時，砌襯板上最大凍脹應力會迅速下降48.23%；③基于防凍脹保溫板新式構造的砌襯板上移位分析揭示，選用厚14 cm保溫板時冬季輸水渠道移位最高僅為1 cm，而且梯形渠道法向容許移位也被控制在0.5～1.0 cm，因此在案例工程中選用14 cm保溫板可滿足現實需求。