石拉淵引河灌區渠道不同襯砌形式下凍脹特征研究

劉玉奇

（臨沂市河東區水利工程保障中心,山東 臨沂 276034）

1 引言

輸水渠道的運營可靠性與上游供水通道有關,同時也與自身防滲能力以及結構安全密切相關。本文為探討石拉淵灌區輸水渠道不同襯砌形式下凍脹危害,從襯砌結構透固體寬度、襯砌形式兩方面分析,為渠道襯砌方案設計優化提供了依據。

2 研究概況

2.1 工程介紹

石拉淵灌區位于魯東南臨沂境內,灌區內擁有1 座大型水利樞紐,為石拉淵攔河壩水利工程,控制流域面積超過3300 km2,單次調水流量可達372.3 萬m3,占石拉淵灌區水資源量的75%。根據灌區資料得知,石拉淵灌區干渠為0+000～4+969、11+269～14+439、15+304～40+600 段,總長為85.5 km,支渠長度超過5 km 的共有15 條,據估算2025 規劃年灌區干、支渠年過流超過3500 萬m3,這對部分干、支渠的運營帶來較大挑戰。一方面需要提高石拉淵灌區干、支渠的輸水能力適配上游各水工設施設計標準,另一方面渠道自身輸水安全同樣不可忽視。從灌區輸水渠防滲體系以及襯砌結構兩個因素考慮,前者效果較好,渠坡內最大滲透坡降以及土層含水量等均不超過允許值,但襯砌結構的選型以及與其他渠面的適配性,乃是目前石拉淵灌區渠道最為棘手的問題。

2.2 研究方法

為探討石拉淵灌區不同襯砌形式下渠道安全可靠性,以渠道凍脹特征為評價對象,分析在同一渠面但不同襯砌形式下渠道凍脹特征變化。實質上,襯砌結構研究對象存在有熱力耦合場,其熱傳導滿足下式[1]：

式中：x、y分別為水平向、豎向導熱系數；T 為溫度；x、y 分別為凍脹面的水平、豎向。

基于結構靜力平衡體系,列出下式：

式中：μ、E 分別為襯砌材料物理特征參數,泊松比、模量；εx、εy、γxy分別為X、Y 向正應變以及剪應變；σx、σy、τxy分別為X、Y 向正應力以及剪應力；α為方熱傳導系數；Δt為溫度梯度。

基于上述熱力耦合方程,對石拉淵灌區典型渠道開展襯砌結構分析,石拉淵灌區8+125 處斷面幾何形式,渠底寬為4 m,渠面總長為12.25 m,渠深為3.5 m,兩側渠坡均為1/1.75,襯砌底板、坡板結構厚度均為60 mm。渠基土鉆孔資料顯示為粉質砂土,厚度為3.5 m,渠底、渠坡板土層凍脹率分別為2.8%、3.6%,地下水位按照1 m埋深設定,渠頂水平向外延2 m,左、右兩側渠坡分別視為陰、陽坡。基于上述渠道幾何分析,分別設定有全襯砌、渠底中部襯砌、渠底邊部襯砌（陰坡）、渠坡底部襯砌（陽坡）四種結構形式,進而評價渠道襯砌結構凍脹變化特征。

在計算模型中設定陰、陽坡的溫度邊界分別為-15℃、-5℃,渠底為-10℃,而在左、右側采用絕熱邊界,無熱能傳導。四種模型的襯砌結構均為透固體,但透固體寬度還需要優化,初始比較時均設定為2.5 m,但在透固體寬度設計方案中,借鑒相似工程分別設定有1 m、2 m、3 m、4 m、5 m 共五種計算方案,圖1 為兩種典型襯砌方案下計算模型。

圖1 典型襯砌形式下渠道特征

3 不同襯砌形式下渠道凍脹特征

3.1 凍脹位移

基于四種不同襯砌形式下凍脹特征計算,獲得了襯砌底板斷面上凍脹位移變化特征,全斷面按照間距0.2 m 劃分計算特征點,見圖2。由圖2 可知,四種襯砌方案下襯砌板上凍脹位移變化總體上具有相似性,均為“雙峰”式凍脹位移特征,但各方案中“雙峰”凍脹位移所在斷面各有區別。渠坡底部方案中,其一次峰值凍脹位移位于斷面1 m,達31.8 mm,二次峰值凍脹位移為24 mm,位于斷面3.2 m,而全襯砌、渠底邊部、渠坡底部一次峰值凍脹分別位于斷面1 m、1.4 m、2 m,而二次峰值凍脹位移分別為19.34 mm、48.1 mm、38.8 mm。總體來看,渠坡底部方案下一、二次峰值凍脹位移間隔較大,分別靠近兩側渠坡,而渠底中部襯砌方案下兩次峰值凍脹位移間隔最短,為2 m～3.2 m 斷面區間。另一方面,從峰值凍脹位移值宏觀對比來看,全襯砌、渠坡底部兩方案下一、二次峰值凍脹位移均值分別為24.9 mm、26.7 mm,且此兩襯砌方案中一、二次峰值凍脹位移值具有較顯著差幅,分別達36.5%、31.9%；但渠底中部、渠底邊部兩方案中,“雙峰”凍脹位移值差距較小,分別為0.2%、1.3%。綜合來看,全襯砌、渠坡底部方案下凍脹位移值低于其他兩個方案,特別是后者方案下斷面峰值凍脹位移具有較大緩沖區,二次峰值凍脹影響也弱于一次。

圖2 渠道斷面凍脹位移變化特征

3.2 凍脹力

根據凍脹特征仿真計算,提取獲得了各襯砌方案下渠面凍脹力變化與分布特征,圖3為襯砌板斷面凍脹力變化特征。從圖3 可看出,與凍脹位移變化趨勢相似性不同,各方案下凍脹力的變化各有區別特征：全襯砌方案下具有“單峰”凍脹力,且在峰值凍脹力后呈現較穩定凍脹力水平；渠底邊部方案中具有“雙谷”凍脹力 ,分別在斷面1 m、3 m 處具有谷值凍脹力；渠底中部方案中具有“雙峰”凍脹力,兩次峰值凍脹力分別位于斷面1 m、3 m,達1.62 MPa、1.58 MPa；渠坡底部方案下全斷面凍脹力變幅較小,僅在斷面1.2 m～2.8 m 處具有一定波幅,并達到該方案下的峰值凍脹力,為2.1 MPa。從凍脹力變化特征來看,渠底邊部、渠底中部兩方案下具有過多的不穩定因素,凍脹力出現過大的峰、谷交替,不利于襯砌結構應力穩定[2-3]。相比之下,渠坡底部方案下凍脹力較穩定,也更利于渠道外部措施抗凍脹設計。

圖3 各襯砌方案下渠面凍脹力變化特征

凍脹仿真特征的計算不僅可獲得應力、位移等參數,還可獲得渠道結構面上溫度場分布特征,見圖4。從圖4 可知,各方案下溫度場分布具有一致性,且左側渠坡內溫度梯度高于右側渠坡,即陰坡溫度場梯度敏感性強于陽坡。對比溫度梯度值可知,峰值梯度均位于凍結層邊界,且各方案下梯度值均為恒等。分析表明,不論采用何種襯砌方案,渠道溫度場分布均為一致性,溫度梯度及分布特征只受陰、陽坡影響。

圖4 渠道溫度場分布特征

4 不同結構設計下渠道凍脹特征

由四種襯砌方案的凍脹特征對比,綜合遴選認為渠坡底部方案下抗凍脹能力最強,更適配石拉淵灌區渠道設計,但其渠坡底部透固體寬度設計參數還需優化,同等條件下計算獲得了不同透固體寬度方案的渠道凍脹位移變化特征,見圖5。

圖5 襯砌透固體寬度設計參數與凍脹位移關系

由圖5 可知,透固體寬度改變,一定區間方案內仍具有凍脹位移變化一致性,但超過透固體寬度3 m 時,則凍脹位移的變化趨勢朝不可預測及不可控方向發展[4]。在透固體寬度不超過3 m 時,渠道凍脹位移均為“雙峰”特征,且一、二次峰值凍脹位移間隔分布在1 m～3 m。在透固體寬度為1 m～3 m時,一次峰值凍脹位移依次為17.1 mm、17.5 mm、17.7 mm,而二次凍脹位移較之前者分別減少了25.2%、23.7%、24.2%,降幅均超過了20%,渠道斷面上襯砌結構凍脹效應呈減弱態勢。當透固體寬度為4 m、5 m 時,兩方案中凍脹位移均有不一致性,前者方案內凍脹位移在斷面2.2 m 后呈現長期較高水平凍脹位移變化,而后者方案凍脹位移變化呈“U”型,左、右側渠坡底部處凍脹位移值分布較高,谷值凍脹位移為22.86 mm。五個方案下凍脹位移值對比可知,透固體寬度低于3 m 時,凍脹位移值基本較為接近,而透固體寬度4 m、5 m方案下凍脹位移值整體水平得到提高,透固體寬度5 m 方案下谷值凍脹位移甚至都超過了透固體寬度1 m～3 m 下的峰值凍脹位移。考慮抑制襯砌結構凍脹能力,透固體寬度控制在1 m～3 m 內更為合理。

為確保透固體寬度方案評價結果可靠性,依次從透固體寬度1 m～3 m 方案內提取出凍脹力分布特征,見圖6。不可否認,在圖6 中,凍脹力分布變化特征具有相似性,渠底、襯砌底板以及襯砌坡板處凍脹應力均為一致,而在透固體寬度4 m、5 m 中渠底處具有較大區域凍脹應力集中,渠底面臨較大的凍脹危害。綜合各方案凍脹特征,石拉淵灌區渠道設計為渠坡底部透水襯砌,且透固體寬度控制在1 m～3 m最合理。

圖6 渠道凍脹力分布特征

5 結論

（1）四種襯砌形式下凍脹位移變化均具有“雙峰”凍脹位移值,但各方案中峰值凍脹位移的間隔、量值均有一定區別,以全襯砌、渠坡底部兩方案下凍脹位移值為最低,且渠坡底部方案下一、二次峰值凍脹位移值具有較顯著降幅特征。

（2）四種襯砌形式下斷面凍脹力變化各有差異, 全襯砌、渠底中部方案下分別為“單峰”與“雙峰”凍脹力特征,渠底邊部具有“雙谷”凍脹力,而渠坡底部方案凍脹力整體水平也低于其他三種形式。

（3）不同襯砌形式下渠道溫度場分布具有一致性,陰坡溫度場梯度敏感度高于陽坡。

（4）透固體寬度為1 m～3 m 時,凍脹位移變化以及凍脹應力分布為一致性,凍脹位移均具有“雙峰”特征,且此三方案中凍脹位移值水平較為接近；透固體寬度4 m、5 m 下凍脹位移變化具有無序性,凍脹位移值亦高于寬度1 m～3 m方案下,且在渠底部具有凍脹應力集中效應。

（5）綜合比較認為,渠道襯砌最優方案為渠坡底部透水,透固體寬度為1 m～3 m。