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(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.

Study of Concrete Lining Channel Frost Heaving Performance Based on Finite Element

WANG Sheng-hai, ZHANG Tong, WANG Qiao

(Liaoning Rural Water Construction Administration, Shenyang 110003, China)

Frost damage analysis and prevention study are important topics for concrete lining channel design and operation management research. In the paper, soil conditions, water conditions and other factors affecting concrete lining channel frost heaving features are analyzed, then finite element technology is combined for modeling and simulation on a large U-shaped concrete lining channel. Numerical simulation results are compared with actual characteristics to verify the feasibility and accuracy of finite element technology in research of channel frost heaving.

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

TV93

A

1005-4774(2014)12-0033-04