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        基于有限元的混凝土襯砌渠道凍脹性能研究

        2014-11-02 03:01:56
        水利建設(shè)與管理 2014年12期
        關(guān)鍵詞:有限元混凝土

        , ,

        (遼寧省農(nóng)村水利建設(shè)管理局, 沈陽 110003)

        基于有限元的混凝土襯砌渠道凍脹性能研究

        王圣海,張通,王喬

        (遼寧省農(nóng)村水利建設(shè)管理局, 沈陽 110003)

        凍害分析及防治研究是混凝土襯砌渠道設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理研究的一個(gè)重要課題。本文在分析了影響混凝土襯砌渠道凍脹特性的土質(zhì)條件、水分條件等因素后,結(jié)合有限元技術(shù),對(duì)一大U形混凝土襯砌渠道進(jìn)行建模仿真,通過將數(shù)值模擬仿真結(jié)果與實(shí)際特性相比較,驗(yàn)證了有限元技術(shù)在渠道凍脹研究方面的可行性和準(zhǔn)確性。

        混凝土襯砌; 渠道; 凍脹性能; 數(shù)值模擬仿真; 有限元

        我國(guó)是一個(gè)人均占有水資源量較少的國(guó)家。節(jié)約用水已成為我國(guó)水資源可持續(xù)利用發(fā)展的戰(zhàn)略性措施,而農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水又是該項(xiàng)目實(shí)施的重點(diǎn)。一些文獻(xiàn)資料表明,我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量大約為3600億m3,占全國(guó)年用水總量的60%以上,而其中農(nóng)田灌溉用水量占農(nóng)業(yè)用水總量的90%,占全國(guó)年用水總量的55%。灌溉渠道節(jié)水工程是提高農(nóng)業(yè)用水利用效率的一種有效措施,因此,建設(shè)大量系統(tǒng)、可靠、經(jīng)濟(jì)的輸配水節(jié)水渠系,對(duì)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、緩解水資源短缺和供需矛盾具有實(shí)際意義[1]。

        灌溉渠道防滲襯砌是減少輸配水沿程損失、提高水資源利用效率、增強(qiáng)渠道岸邊抗滑穩(wěn)定性能及控制灌區(qū)地下水位工程中廣泛采用的技術(shù)措施。相關(guān)研究表明,沒有任何防護(hù)襯砌的土渠,其沿程滲漏損失水量約占整個(gè)渠道總引水量的35%~60%左右,水資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。由此可見,渠道防滲襯砌所具有的節(jié)水潛力相當(dāng)大。灌溉渠道防滲襯砌防護(hù)工程雖在很大程度上提高了渠道引水資源的綜合利用效率,促進(jìn)了節(jié)水農(nóng)業(yè)的可持續(xù)快速發(fā)展,但在季節(jié)性凍土灌溉區(qū),渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞問題一直是制約灌溉渠道工程建設(shè)發(fā)展的一大難題。通過一系列大型灌區(qū)普查發(fā)現(xiàn),渠道襯砌陰坡的平均凍脹率可達(dá)到72.6%,陽坡為27%。灌溉渠道襯砌凍脹問題,不僅影響到渠道工程高效、經(jīng)濟(jì)和安全運(yùn)行,同時(shí)還給灌區(qū)工程實(shí)際運(yùn)行管理帶來巨大困難,大大縮短了水利工程綜合使用壽命,因此,對(duì)渠道凍脹破壞的影響因素進(jìn)行深入研究,就成為水利工程工作人員研究的一個(gè)重要課題[2]。

        1 渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹機(jī)理

        渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹過程是一個(gè)隨溫度變化,由表及里、由淺入深的逐步演變過程。不同渠道混凝土襯砌面上冰晶體形成過程如圖1所示:

        圖1 不同混凝土凍結(jié)鋒面上冰晶體形成過程

        由圖1可知,凍結(jié)線是已凍土和未凍土的分界線。當(dāng)渠道運(yùn)行外界環(huán)境溫度低于結(jié)冰點(diǎn)時(shí),首先會(huì)在混凝土襯砌面和原土層接觸面間的孔隙處產(chǎn)生一定量的冰晶體,在土層毛細(xì)力推動(dòng)下,渠道土體中所含的水分會(huì)向冰晶體遷移,在外部環(huán)境溫度影響下,轉(zhuǎn)換成冰晶體,使冰晶體越積越大。隨著外部溫度繼續(xù)降低,在渠道地基土等孔隙中會(huì)產(chǎn)生冰晶體,同樣在土體內(nèi)部毛細(xì)力作用下,地基深處的水分會(huì)向上遷移,產(chǎn)生冰晶體,使土體凍脹冰晶體更大,促使渠道土體體積不斷膨脹發(fā)生隆起、頂起襯砌板裂縫等破壞現(xiàn)象。

        2 引起渠道發(fā)生凍脹的主要因素

        由于渠道混凝土襯砌發(fā)生凍脹涉及到外部環(huán)境溫度、內(nèi)部地基土質(zhì)、土密度等多種因素,因此,不能簡(jiǎn)單利用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型來描述整個(gè)凍脹破壞過程。我國(guó)大量混凝土凍脹研究學(xué)者研究經(jīng)驗(yàn)表明,影響渠道混凝土襯砌凍脹的敏感性因素主要為土、水、溫以及附加荷載四大因素[3]。

        2.1 土質(zhì)條件

        渠道地基土質(zhì)是影響凍脹性能的一個(gè)重要因素。土的分散性是渠道地基土在發(fā)生凍結(jié)時(shí)影響水分遷移性能和凍脹強(qiáng)度的決定性因素。隨著土體粒徑變細(xì),土粒與水間的相互作用力將增強(qiáng),同時(shí)土壤的滲透性能將被削弱,當(dāng)土體為粉粒含量占主要部分時(shí),渠道地基土的凍脹性最強(qiáng),而對(duì)于黏粒物質(zhì)占主要成分時(shí),土粒與水分間的作用力將很強(qiáng),但同時(shí)由于土壤滲透性驟減,阻礙了凍結(jié)時(shí)土體中水分向凍結(jié)區(qū)遷移,在這種條件下渠道地基土凍脹性反而會(huì)降低。此外土壤中礦物質(zhì)和土壤含鹽量也對(duì)渠道混凝土凍脹性能有較大影響。

        2.2 水分條件

        土質(zhì)中含水量的多少,是渠道土在凍結(jié)時(shí)能否發(fā)生凍脹現(xiàn)象的直接決定因素。當(dāng)渠道土發(fā)生凍結(jié)析出冰時(shí),凍脹程度不可能隨土體含水量的增長(zhǎng)而無限制增長(zhǎng),即當(dāng)土體中含水量達(dá)到某一極限值時(shí),土體凍脹性能也會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值,超過該極限值時(shí),土體凍脹破壞性能將下降。因此,水分含量也是渠道凍脹性能研究的一個(gè)重要對(duì)象。

        2.3 溫度條件

        顯然,只有當(dāng)渠道外部大氣溫度低于土壤水的實(shí)際凍結(jié)溫度時(shí),才可能在渠道土中發(fā)生冰析出現(xiàn)象。

        2.4 附加荷載

        在渠道襯砌過程中,通常會(huì)在地基土層上覆相應(yīng)的附加荷載,一方面可以使土層通過壓縮固結(jié)脫水,降低土體中的含水量,增加土體相應(yīng)的密實(shí)度,使土壤水導(dǎo)濕率發(fā)生改變,達(dá)到抑制土體水分遷移速率的效果;另一方面,只有土體凍結(jié)過程中在冰透鏡體生長(zhǎng)面上所產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力等于或大于其上覆附加的荷載力時(shí),渠道才可能出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象[4]。

        3 U形渠道混凝土襯砌凍脹性能分析

        根據(jù)渠道外觀尺寸大小可以將U形渠道分為小U形和大U形兩大類。小U形混凝土襯砌渠道具有剛度大、整體性能好等優(yōu)點(diǎn),對(duì)基土的凍脹約束性改善較明顯,且混凝土襯砌凍脹量分布較為均勻,弧底反拱作用效果明顯,能有效利用混凝土自身的良好抗壓性能,獲得較強(qiáng)的承載能力,且在凍土消融后,復(fù)原能力較強(qiáng),不易產(chǎn)生凍脹破壞現(xiàn)象。大U形混凝土襯砌渠道雖從外觀來看也屬于U形渠道(如下頁圖2所示),但由于大U形渠道斷面尺寸較大,各部位的坡向坡度均不同,日照接收強(qiáng)度也不一,加上土質(zhì)、水分、風(fēng)力外部自然條件因素等差異,渠道混凝土面上各部位的凍結(jié)狀態(tài)和強(qiáng)度也有很大不同。

        圖2 大U形混凝土襯砌渠道斷面

        實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表明,大U形混凝土襯砌渠道凍脹破壞性能主要表現(xiàn)為:渠道上部?jī)錾钶^大,越往底部?jī)錾钤叫。幤聹囟鹊蛢錾钶^大,陽坡溫度高凍深較小,且驅(qū)動(dòng)凍脹方向?yàn)榍?cè)向里渠底向上;從渠道整體來看,沿渠道軸線方向,在陰坡直線段下部其凍脹應(yīng)力作用較大,是最容易發(fā)生凍脹破壞出現(xiàn)裂縫的地方[5]。

        4 基于有限元的混凝土襯砌渠道建模仿真

        圖2所示的大U形混凝土襯砌渠道為整個(gè)仿真計(jì)算的原始模型,其基本參數(shù)值如表1所示:

        表1 原大U形混凝土襯砌渠道基本參數(shù)

        該渠道凍結(jié)期主要分布在12月和次年的1~2月,因此,文章選取12月、1月、2月作為監(jiān)測(cè)期。其具體信息如表2所示:

        表2 原大U形渠道各部位的表面月溫度及凍結(jié)期信息

        4.1 有限元計(jì)算模型

        在構(gòu)筑有限元計(jì)算模型時(shí),考慮到凍土融化過程是凍深逐漸減小的過程,因此,根據(jù)工程實(shí)際及溫度水分分布變化情況,對(duì)現(xiàn)有邊界條件的基礎(chǔ)從底板向下取150cm,同時(shí)左右邊界分別取75cm。按照?qǐng)D2所示的大U形渠道斷面構(gòu)成的有限元模型如圖3所示:

        圖3 大U形混凝土襯砌渠道有限元模型

        為更加直觀地顯示渠道混凝土襯砌板的凍脹應(yīng)力分布情況,按照?qǐng)D2所示,在混凝土襯砌板上選取1~9號(hào)共9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),作為渠道凍脹特性的研究對(duì)象(最終選取典型的1、2、5、8、9共五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析),分別比較各點(diǎn)的特性量變化情況。初始測(cè)量日為12月5日。凍土力學(xué)參數(shù)見表3。

        表3 凍土力學(xué)參數(shù)

        4.2 仿真模擬結(jié)果分析

        通過仿真獲得該大U形混凝土襯砌渠道對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)凍脹量變化曲線、法向應(yīng)力變化曲線及切向應(yīng)力變化曲線分別如下頁圖4~圖6所示:

        從圖4~圖6可知,混凝土襯砌渠道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在凍脹過程中相對(duì)于外部氣溫的負(fù)溫過程,凍脹量、法向凍脹力以及切向凍脹力均存在一定的滯后現(xiàn)象,這與工程實(shí)際中大U形混凝土襯砌渠道凍脹實(shí)際特性相符,說明本文所建立的有限元分析模型是準(zhǔn)確可靠的,也為工程實(shí)際中進(jìn)行渠道凍脹特性瞬態(tài)數(shù)值模擬提供了更加合理的研究思路。

        圖4 五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)凍脹量變化曲線

        圖5 五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)法向應(yīng)力變化曲線

        圖6 五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)切向應(yīng)力變化曲線

        5 結(jié) 語

        在借助國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土凍脹研究現(xiàn)有的成果和技術(shù)基礎(chǔ)上,以大U形混凝土襯砌渠道為例,應(yīng)用有限元進(jìn)行了建模仿真,通過將仿真結(jié)果與實(shí)際大U形混凝土渠道凍脹特性相比,驗(yàn)證了有限元技術(shù)在渠道凍脹特性方面研究的可行性和準(zhǔn)確性,其仿真結(jié)果對(duì)分析和防治混凝土襯砌渠道凍脹破壞具有非常重要的技術(shù)指導(dǎo)意義。

        [1] 李安國(guó).渠道防滲工程技術(shù)[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1998.

        [2] 楊洪文.黑河流域渠道襯砌工程抗凍脹模式及應(yīng)用淺析[J].人民黃河,2006,28(10):55-56.

        [3] 賈生海,程建萍.高寒地區(qū)灌溉渠系的防凍脹設(shè)計(jì)[J].節(jié)水灌溉技術(shù),2007,26(2):65-68.

        [4] 劉雄,寧建國(guó),馬巍.凍土地區(qū)水渠的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值分析[J].冰川凍土,2005,27(6):932-938.

        [5] 秦濤.石堡川灌區(qū)渠道防滲技術(shù)探討[J].陜西水利,2010(5):155-156.

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        concrete lining; channel; frost heaving performance; numerical simulation; finite element

        TV93

        A

        1005-4774(2014)12-0033-04

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