季凍區渠道不同厚度聚苯板保溫與防凍脹效果數值模擬研究

潘特

（岫巖滿族自治縣水利事務服務中心，遼寧岫巖114300）

0 引言

我國大部分地區屬于溫帶，存在面積廣大的季節性凍土區，這些地區的地表在冬春季期間存在比較明顯的凍融作用，并形成一層凍融層。顯然，凍融會對土體的物理力學性質和結構造成比較顯著的影響，進而影響到水工結構的安全性和耐久性[1]。特別是當地的輸水渠道，其土質邊坡在凍融作用下往往會造成比較嚴重的破壞[2]。雖然國內外在土質邊坡渠道的防凍脹破壞方面進行了廣泛而深入的研究和探索，但是并沒有在本質上解決問題，凍脹破壞仍舊是寒區渠道破壞的主要形式和原因[3]。

燈塔灌區是遼寧省的大型灌區，其所處的遼河平原地區為典型的中溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬季和夏季溫差較大，冬季的極端最低氣溫為-42 ℃，土壤凍結深度為1.2～2.5 m[4]。由于燈塔灌區的地下水比較豐富且水位較高，因此渠道的凍脹破壞比較嚴重，普通混凝土襯砌渠道，一般經過3～5 年的使用就會產生比較明顯的凍脹破壞[5]。為了提高渠道防凍脹效果，擬在節水改造工程中利用在渠道襯砌與土體之間鋪設聚苯乙烯板進行防凍脹處理。由于在這方面沒有現成的標準和工程經驗借鑒，研究和確定合適的保溫板厚度具有十分重要的意義，可以在保證保溫效果的同時，最大限度降低工程的施工成本。基于此，文章以灌區的2 號支渠為例進行數值模擬研究，以便確定最佳的保溫板厚度。

1 數值計算模型的構建

1.1 ADINA 有限元軟件簡介

ADINA 有限元軟件以有限元理論為基礎，可以利用力學領域的線性和非線性方程組的求解解決普通力學、結構力學以及溫度場領域的問題。該軟件被開發出來之后，憑借其強大的非線性問題的分析功能，在工程界、科學界以及教育界等諸多領域獲得廣泛應用[6]。因此，此次研究選擇ADINA 有限元軟件進行研究渠段的有限元計算模型構建。

1.2 幾何模型與邊界條件

研究渠段選取的是遼寧省燈塔灌區2 號支渠。該段渠道為混凝土預制板襯砌結構設計，其底板的寬度為3.00 m，深4.50 m，坡度為1∶1.75。研究中以該段渠道為背景進行計算模型的構建，根據渠道現場調查數據，確定模型的參數和邊界條件。模型的上部為空氣對流條件，下部為凍深邊界。其中，渠道陽坡的法向凍深為0.75 m，陰坡的法向凍深為0.39 m，渠底的凍深為上述兩個凍深之間的過渡。由于渠道的凍脹過程比較復雜，會受到諸多因素的影響，因此在模型的建立過程中將襯砌和渠道視為一個整體，以實現模型構建的便捷性，保證研究工作的順利進行。由于研究渠段的基土性質比較單一，因此在研究中認為其具有各項同性的特點。由于當地的地下水位比較穩定，因此不考慮水位升降的變化，同時基土的凍脹僅和基土本身的負溫有關；研究中認為基土溫度不存在渠道軸線方向上的差異，因此采用二維平面模型進行溫度荷載的應變研究[7]。

1.3 模型的構建與計算參數

由于構建的模型上部與空氣直接接觸，因此認為上表面的溫度和當地氣溫相同，并設置為當地1 月平均氣溫值，陽坡和陰坡分別為-8.41 ℃和-3.39 ℃。模型下方設置凍深邊界條件，因此將模型下部的溫度設置為0 ℃，結合工程實際和相關研究成果，采用直接傳導的溫度傳導方式。對構建的幾何模型進行映射網格單元劃分，并對襯砌和基土表層部位進行加密，最終獲得556 個網格單元，有限元模型示意圖如圖1 所示。

圖1 渠道有限元模型示意圖

計算參數是影響有限元模型計算結果的重要因素，在研究中結合相關的技術資料和實測數據，確定如表1 和表2 所示的計算參數。

表1 渠道土體基本參數表

表2 各種材料的力學參數

2 模型的驗證

為了驗證模型的科學性和有效性，在研究渠段鋪設地溫監測系統，監測和記錄地溫數據。利用已構建的模型對研究渠段的地溫進行計算，并將計算結果和實測結果進行對比，結果如圖2 所示。由圖2 可知，基于監測數據和實測數據的地溫變化曲線比較接近，說明文章構建的有限元計算模型具有較高的預測精度，可以用于后續研究。此外，從圖2 中的變化曲線可知，地溫雖然隨著深度的增加而增加，但是增加的幅度較為有限，說明在襯砌下鋪設聚苯板可以在30 cm 以上的土層中產生比較顯著的增溫效果。

圖2 模型驗證結果

3 計算結果與分析

3.1 保溫效果

為了研究襯砌下聚苯板的保溫效果，特別是不同厚度的聚苯板對保溫效果的影響，研究中結合相關研究成果，設置 2，4 ，6 ，8，10 ，12 cm 等 6種不同的厚度參數，進行有限元模型的構建，并分別記為模型1 至模型6。為了研究聚苯板的保溫效果，同時設置無保溫板工況作為對比工況。利用構建的有限元模型，對不同工況下的基土溫度進行模擬計算，并在計算結果中提取出表層溫度的最低值，結果如表3 所示。由計算結果可知，設置聚苯板工況下的基土表層最低溫度在-7.53～1.77 ℃之間，與沒有設置聚苯板的模型相比，保溫效果明顯提升，提升幅度在27.60%～82.98%之間。由此可見，設置聚苯板可以起到顯著的保溫效果。此外，由計算結果可知，要使保溫效果提升50%，聚苯板的厚度應在6 cm 以上。

表3 基土凍土表層的最低溫度值計算結果

3.2 防凍脹效果

利用構建的有限元模型，對不同聚苯板厚度下的渠道凍脹量進行模擬計算，根據計算結果，繪制出如圖3 所示的不同模型最大凍脹量變化曲線。由圖3 可知，模型一和無聚苯板對比，模型的計算結果較大且比較接近，說明聚苯板的厚度較小時難以取得顯著的防凍脹效果。其余模型的凍脹量與對比模型比均有顯著的減小，說明設置一定厚度的聚苯板對防止渠道的凍脹破壞具有十分顯著的作用。相比而言，厚度為6 cm 的聚苯板防凍脹效果最佳，其最大凍脹量在2 cm 以內。從計算結果可知，建議在工程施工中采用6～8 cm 厚度的聚苯板，不僅可消減近90%的凍脹量，同時還可以控制工程成本。

圖3 渠道陰坡渠道基土凍脹量變化過程曲線

4 結論

此次研究以遼寧省燈塔灌區節水改造工程實施后的2 號支渠為例，利用數值模擬計算的方法，研究了聚苯板厚度對渠道防凍脹效果的影響，并獲得如下主要結論：

1）在渠道襯砌下方鋪設聚苯板，可以起到顯著的保溫作用，從計算結果來看，保溫效果可以提升27.89%～83.87%；此外，聚苯板厚度在6 cm 以上時，可以將保溫效果提升50%以上。

2）從防凍脹效果來看，聚苯板厚度在4 cm 以下時的效果并不理想，特別是小于2 cm 時難以起到明顯的防凍脹作用；根據計算結果，建議在工程設計中采用6～8 cm 的聚苯板，以兼顧防凍脹效果和經濟性。