渠道襯砌結構凍脹特性模擬分析

摘 要：【目的】通過建立渠道混凝土襯砌結構數值計算模型，深入了解渠道混凝土襯砌結構和渠基土壤在凍脹條件下的溫度變化和變形特征。【方法】利用有限元軟件建立包含渠道襯砌結構和渠基土壤的數值模型，并考慮渠基土壤溫度影響，模擬計算渠道底部溫度和襯砌結構的凍脹位移。【結果】研究結果表明，無論是襯砌結構和渠基土壤，考慮接觸還是未考慮接觸，渠基土壤溫度不同深度溫度變化均相同，在考慮接觸的襯砌結構中，陰坡和陽坡的凍脹變位較渠底更大。【結論】襯砌結構接觸或未接觸條件下，渠基土壤溫度分布規律是一致的，襯砌結構的陰坡和陽坡在頂部凍脹位移和變形存在明顯差異。研究成果對渠道襯砌結構的抗凍脹能力方面的研究有一定的參考價值。

關鍵詞：渠道襯砌；數值模擬；凍脹特性

中圖分類號：TV698.26" "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）11-0053-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.011

Simulation Analysis of Frost Heare Characteristics of

Channel Lining Structures

ZHANG Yongling XIAO Rang FU Junke

（College of Civil Engineering，Hexi University，Research Institute of Water Resources Protection and

Utilization in Hexi Corridor，Zhangye 734000，China）

Abstract： [Purposes] This study aims to establish a numerical calculation model for the concrete lining structure of the channel， in order to gain a deep understanding of the temperature changes and deformation characteristics of the concrete lining structure and the soil of the channel foundation under frost heave conditions. [Methods] A numerical model was established using finite element software， which includes the channel lining structure and the soil of the channel foundation. The influence of soil temperature on the channel foundation was considered， and the temperature at the bottom of the channel and the frost heave displacement of the lining structure were simulated and calculated. [Findings] The" results show that regardless of whether the lining structure and the canal foundation soil consider contact or not， the temperature change of the canal foundation soil is the same at different depths. In the lining structure considering contact， the frost heave displacement of the shaded and sunny slopes is greater than that of the canal bottom. [Conclusions] The distribution pattern of soil temperature in the canal foundation is consistent under the contact or non-contact conditions of the lining structure， and there are significant differences in frost heave displacement and deformation at the top between the shaded and sunny slopes of the lining structure，which has certain reference value for improving the frost heave resistance of channel lining structures.

Keywords： channel lining; numerical modeing; frost heave characteristics

0 引言

渠道襯砌結構是水利工程中常用的一種重要結構形式，主要用于保證渠道的堅固性和穩定性。合理的襯砌結構設計方案可以提高渠道的輸水效率，并減少渠道效率受到工程環境和輸水工況的影響。目前，越來越多的渠道工程在寒冷地區進行建設，而在寒冷地區，凍脹是一個常見問題，會對渠道襯砌結構的性能造成一定影響［1-3］。

針對凍土渠基環境下的渠道建設，特別需要關注襯砌結構的防凍脹設計［4］。渠基底部凍土的存在會導致渠道附近土壤在凍融循環過程中土壓力產生變化，進而引起渠道襯砌結構產生凍脹應力。劉超等［5］采用試驗與模擬相結合的方法，在冬季停水渠道的研究中，利用有限差分軟件建立了渠基模型。研究結果顯示，渠基溫度與深度呈負相關，凍脹量在時間推移中經歷了快速凍結階段、緩慢凍結階段和穩定階段的變化。李彬斌［6］通過使用ANSYS建立了北方寒區的膜袋混凝土襯砌渠道有限元模型，并對具體工程進行結構優化計算。郭富強等［7］建立了有限元渠道模型，并對鋪設不同厚度聚苯板的渠道進行了溫度場和凍脹的模擬，并提出了預制混凝土渠道適宜的保溫模式。

因此，通過研究襯砌結構的凍脹模型可以更好地了解襯砌厚度、土壤溫度等因素對渠道防凍脹的影響。研究成果可為輸水渠道襯砌結構的設計和施工提供一定的參考。

1 研究方法

本研究采用有限元法，將待解區域逐個分割成有限數量的單元，并對其進行離散化處理。這些單元的集合組成了一個離散的網格，在每個網格點上進行線性插值，建立一個插值函數，用于描述待解問題的連續體［8］。本研究選擇了一個具體的渠道斷面作為研究對象，該斷面為U形50 mm厚預制混凝土板襯砌渠道，下部采用一定深度區域作為渠基墊層，幾何模型及網格如圖1所示，黑色區域為混凝土襯砌結構，淺黑色區域為渠基。經過有限元法的網格處理，該斷面被劃分為多個剖分的單元。在每個剖分單元中，利用離散網格點上的函數值進行插值計算，從而建立了一個線性插值函數，為后續模擬計算做準備。

在本次模擬中，使用特定的材料參數來描述凍土的性質和行為。凍土的導熱性是決定溫度分布的關鍵參數之一。本次襯砌結構和土壤等模擬采用的材料參數見表1。

在進行溫度計算時，為了準確模擬物體的溫度分布，應在模型的邊界上施加溫度邊界條件。通過施加溫度邊界條件，可以確定模型中的未知溫度值，并計算整個溫度分布。在應力應變計算中，為了計算物體的應力和應變分布，可施加適當的位移邊界條件。位移邊界條件可以包括固定的位移值或受到外部力作用產生的位移等。

2 渠基土壤溫度模擬分析

在進行渠道襯砌結構凍脹研究時，首先進行渠基土壤溫度分析。考慮接觸和未考慮接觸溫度分布如圖2所示。由圖2可知，無論考慮襯砌結構接觸土壤與否，渠基土壤的溫度分布規律都是一致的。研究結果顯示，土壤溫度在不同深度范圍內有所變化。渠底40 cm深度以下的土壤溫度變化快，而30～40 cm深度的變化相對緩慢。陰坡上部20～30 cm深度的變化速度略低于30～40 cm深度。陰坡下部的10～20 cm深度的變化梯度稍小于20～30 cm深度。陽坡下部30～40 cm深度的梯度稍小于40～50 cm深度。此外，在陽坡上部20 cm深度處，土壤溫度變化速度較快。

無論是否考慮襯砌結構與渠基土壤接觸，渠基底部溫度分布具有高度相似性。在沿著渠基法線方向的不同深度范圍內，土壤溫度變化呈現明顯的梯度差異。尤其在底部40 cm深度和陽坡上部20" cm深度的土壤溫度變化較快。相比之下，渠底30～40 cm深度的土壤溫度梯度較小。

渠基最大凍深溫度和最大融深溫度如圖3所示。在沿著襯砌結構中間法線方向觀察時，渠基土壤的凍結深度每增加10 cm，對應的溫度大約增加0.7～0.8℃。渠基土壤溫度計算對比結果如圖4所示。凍結深度和溫度兩個變量之間呈現近似線性遞增。

3 考慮接觸的襯砌結構凍脹位移分析

襯砌結構考慮接觸渠基土壤和未考慮接觸渠基土壤情況下的溫度分布基本相同。因此，在應力應變分析中，對考慮接觸的襯砌結構凍脹位移進行模擬計算后無須額外計算未考慮接觸情況下的位移變化。根據圖5所示的模擬結果顯示，凍脹變形后的砌板整體產生向上的位移，兩側受到了土壤擠壓，并出現微小偏轉變形。

考慮襯砌結構接觸土壤情況下的計算結果顯示，襯砌結構在陰坡和陽坡的凍脹位移分別為7.49 mm和7.20 mm，而渠底的凍脹位移為3.24 mm。這表明陰坡和陽坡的凍脹變位較大，而渠基的凍脹變位相對較小。

凍脹力分布和主應力分布如圖6、圖7所示。由圖5和6可知，在分析接觸襯砌結構時，發現陰坡和陽坡的凍脹力和位移分布存在顯著差異。陰坡的上部水平凍脹位移為3.50～5.53 mm，而中下部為1.47～3.50 mm。相比之下，陽坡的上部水平凍脹位移為2.60～4.64 mm，而中下部為0.57～2.60 mm。陰坡頂部的水平凍脹位移最大值為6.55 mm，而陽坡頂部為5.66 mm。

陰坡的中上部豎直凍脹位移為5.06～6.42 mm，而下部為4.56～4.99 mm。相比之下，陽坡的中上部豎直凍脹位移為4.38～5.74 mm，而下部為4.04～4.38 mm。此外，可以得到陰坡頂部的豎直凍脹位移最大值為7.11 mm，而陽坡頂部的最大值為6.77 mm。

綜上所述，在考慮接觸的襯砌結構中，陰坡和陽坡的凍脹位移分布具有一定的差異。陰坡和陽坡上部的橫向變位較中下部更大，且陰坡頂部的豎向變位也較陽坡頂部大。

4 結論

本研究針對渠道襯砌結構的凍脹特性進行了詳細的模擬分析，建立了渠道混凝土襯砌結構的數值計算模型，并分析了渠基土壤溫度的變化，主要得出以下結論。

①考慮襯砌結構接觸土壤和未考慮襯砌結構接觸土壤的渠基溫度分布規律一致。在不同深度范圍內，渠基和陰坡、陽坡的土壤溫度變化有所不同。

②考慮襯砌結構接觸土壤情況下，襯砌結構的陰坡和陽坡的凍脹位移較大，渠基的凍脹位移較小，并且頂部位移存在明顯差異。其中考慮襯砌結構接觸土壤后，襯砌結構的陰坡和陽坡凍脹位移計算值為7～7.5 mm，渠基的凍脹位移計算值為3 mm左右。

參考文獻：

［1］張宇峰，王琦，蘇娟麗，等.幾種典型渠道斷面的實用經濟性對比分析［J］.水利與建筑工程學報，2022，20（6）：46-49，142.

［2］張晨，王羿，韓孝峰，等.考慮接觸損傷效應的襯砌渠道凍脹過程數值模擬方法［J］.巖土工程學報，2022，44（S2）：188-193.

［3］趙公亮.混凝土襯砌渠道的管理與維修養護淺析［J］.黑龍江水利科技，2022，50（6）：162-163，201.

［4］亞力坤.輸水渠道襯砌結構凍脹特性影響變化仿真研究［J］.四川水利，2023，44（3）：17-21.

［5］劉超，郭妍秀.季凍區渠基凍脹模擬分析［J］.水利科學與寒區工程，2023，6（7）：1-5.

［6］李彬斌.寒區膜袋混凝土襯砌渠道結構優化［J］.水利科學與寒區工程，2023，6（9）：4-7.

［7］郭富強，李鋼鐵，霍軼珍，等.基于ADINA的河套灌區預制混凝土渠道保溫防凍脹效果數值模擬［J］.干旱區資源與環境，2023，37（10）：84-92.

［8］王海麗.混凝土襯砌渠道凍脹破壞有限元模擬分析［J］.水利科技與經濟，2015，21（8）：27-29.

收稿日期：2023-11-15

基金項目：甘肅省高等學校創新基金項目“季節性凍土區農田冬灌回歸水入滲對墊層混凝土渠道凍脹的誘發機理研究”（2021A-118）；甘肅省教育廳高等學校創新基金項目“不同斷面結構明渠信息化精確量水關鍵技術研究”（2020B-212）；甘肅省級大學生創新訓練計劃項目（S202110740046）；橫向課題“山丹縣馬營河大型灌區、寺溝河中型灌區農田灌溉水有效利用系數測算分析”（H2023005）。

作者簡介：張永玲（1977—），女，碩士，副教授，研究方向：水利工程。

通信作者：肖讓（1979—），男，碩士，教授，研究方向：灌溉排水理論與技術。