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        下東岸干渠渠道抗凍脹方案比選及數(shù)值模擬

        2018-04-02 06:45:45丁文明
        陜西水利 2018年1期
        關(guān)鍵詞:混凝土設(shè)計

        丁文明

        1 工程概況

        下東岸干渠為新疆澤普縣葉爾羌河灌區(qū)唯一的輸水總干渠,渠道起始于葉爾羌河?xùn)|岸總分水閘,至渠道樁號32+228S277 km結(jié)束,全長32.228 km。本次改建段樁號為0+000~17+651、29+684~32+228,全長 20.195 km。渠道設(shè)計流量 48.0m3/s,承擔(dān)著澤普縣8個鄉(xiāng)場69.1萬畝灌溉面積。澤普縣下東岸干渠灌區(qū)最冷月份1月平均氣溫為-6℃,最大凍深0.69 m。根據(jù)地質(zhì)勘察判定,渠道沿線均為凍脹性土。如采用砼板等剛性材料襯砌時,需要進行防凍脹設(shè)計。設(shè)計渠道斷面為梯形,渠深1.9~3.0 m,底寬3.0~7.5 m,渠道內(nèi)邊坡系數(shù) 1∶1.75,設(shè)計外邊坡系數(shù) 1∶1.5。

        2 設(shè)計凍深計算

        基礎(chǔ)設(shè)計凍深Zf(m),系指計算點基礎(chǔ)外露表面算起的凍深,可按下式計算:

        式中:Zf為基礎(chǔ)設(shè)計凍深,m;δw為基礎(chǔ)上冰層厚度,m;δc為基礎(chǔ)板厚度。

        根據(jù)渠道基礎(chǔ)參數(shù)計算得到基礎(chǔ)設(shè)計凍深,見表1。將襯砌體允許法向位移值作為抗凍脹穩(wěn)定性的控制指標(biāo),由下表計算結(jié)果可知,基礎(chǔ)下土的凍脹位移量均超出砼板襯砌結(jié)構(gòu)的允許法向位移量范圍[1-3],渠道應(yīng)采取抗凍脹措施。

        表1 基礎(chǔ)設(shè)計凍深計算結(jié)果

        3 渠道防凍脹方案比選分析

        3.1 抗凍脹方案

        (1)方案一:渠基換填措施。本方案采用非凍脹性土質(zhì)置換渠床凍脹性土的抗凍脹措施,換填材料采用碎石墊層,根據(jù)要求粗粒土中粒徑小于0.075 mm的土粒重量不得大于土樣總重量的10%。換填層厚度采用換填比法計算[4],計算結(jié)果見表2。

        根據(jù)以上計算結(jié)果,并結(jié)合本地區(qū)多年的工作經(jīng)驗及已建工程加依托格拉克渠,其與下東岸干渠土質(zhì)、地下水埋深及渠道走向基本相同,最后確定0+000~17+651段邊坡現(xiàn)澆混凝土板下?lián)Q填厚度取為33 cm,渠底漿砌卵石下?lián)Q填厚度取20 cm。29+684~32+228段現(xiàn)澆混凝土板下?lián)Q填厚度取35 cm。

        表2 換填厚度計算結(jié)果 單位:m

        (2)方案二:采用聚苯乙烯泡沫塑料的保溫措施。在襯砌體下鋪設(shè)聚乙烯硬質(zhì)泡沫板,對中小型渠道工程,材料性能不低于抗凍脹設(shè)計規(guī)范中泡沫板物理力學(xué)性能指標(biāo),泡沫板厚度可按工程設(shè)計凍深的1/10~1/15取用。工程設(shè)計凍深為0.765 m,按規(guī)范取值保溫層厚度為5~7 cm,設(shè)計鋪筑5 cm厚的中密度苯板,苯板上墊5 cm砂漿墊層[5]。要求苯板的密度為20 kg/m3,吸水性小于80 g/m2,壓縮強度(壓縮50%)不小于200 kPa,彎曲強度不小于220 kPa,尺寸穩(wěn)定性-40℃~70℃不超過±0.5%,導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.04w/m·℃。

        3.2 方案比選分析

        對換填措施和保溫措施進行經(jīng)濟比較,做經(jīng)濟比較時取單位公里砼板下的砂礫石用量及苯板用量進行比較,如表3所示。從表3可看出,碎石墊層抗凍脹投資與苯板保溫投資相接近,但根據(jù)喀什地區(qū)已建渠道可知,在使用苯板保溫層時,澆筑砼板時均在苯板上鋪設(shè)3~5 cm砂漿過渡層或鋪設(shè)兩布一膜復(fù)合土工布。且渠道邊坡系數(shù)均在1∶2.0以上。其原因主要是為了增大砼板與苯板之間的磨擦,以利于砼板的澆筑和防止砼板塊下滑。由此可知其單位造價明顯高于碎石墊層換填層,本工程采用砂礫石換填層作為防凍材料。

        表3 防凍脹措施經(jīng)濟比較

        4 混凝土襯砌渠道凍脹數(shù)值模擬

        4.1 模型建立

        運用數(shù)值模擬軟件ANASY對建設(shè)混凝土襯砌渠道凍脹情況進行模擬分析,模型建立以實際渠道參數(shù)為基礎(chǔ),并進行適當(dāng)?shù)暮喕幚?,對于關(guān)鍵部分網(wǎng)格加密處理。建立模型見圖1,為保障模擬效果的有效性,渠道模型向四周各取一定距離,渠道兩側(cè)取1.0 m,渠道基礎(chǔ)向下取2.0 m[5-7]。

        圖1 有限元計算模型

        4.2 渠道凍脹量分析

        通過數(shù)值模擬計算,得到原渠道與新加換墊層渠道的凍脹量情況,見圖2。最大變形量發(fā)生在陰坡坡頂與坡腳位置,其主要原因是受到渠道雙向凍脹力的作用,陰坡坡頂與坡腳溫度應(yīng)力作用較大,使得這兩處變形量最大。變形曲線會在渠道填縫位置發(fā)生突變,實際情況也是如此。模擬得到陰坡、陽坡、渠道底面的凍脹量情況,陰坡凍脹量最大為71 mm,渠道底面凍脹量次之為54 mm,陽坡凍脹量最小為25 mm,與實際觀測得到的凍脹量情況基本吻合,陰坡、渠道底面與陽坡的凍脹量分別為70 mm、75 mm、18mm。

        圖2 渠道凍脹量變化曲線

        換填渠基之后的凍脹量主要是換填層下土壤產(chǎn)生的,陰坡、渠基和陽坡的凍脹量較原渠道有大幅度縮減,分別為3.1 mm、6.8 mm、4.1 mm,均小于規(guī)范允許的安全凍脹量10 mm。

        4.3 渠道凍脹力分析

        法向凍脹力是造成渠道混凝土破壞的最主要因素,而切向凍脹力影響著整個襯砌混凝土板的應(yīng)力分布情況。通過數(shù)值模擬得到渠道混凝土板的法向凍脹力和切向凍脹力分布情況,見圖3。觀察凍脹力分布曲線可知,原渠道切向凍脹力分布極為不均勻,陰坡的切向凍脹力最大為4.65 MPa,其后依次為渠底1.57 MPa、陽坡0.48 MPa;渠基換填之后,渠道混凝土襯砌板凍脹力大幅度縮減,同時分布更加均勻,渠道結(jié)構(gòu)受力情況得到改善,渠道陰坡、底面和陽坡的切向凍脹力分別為0.36MPa、0.23MPa、0.15MPa。而由法向凍脹力曲線得到,渠基換填之后,法向凍脹力同樣被大幅度削減,最大削減幅度達到96%,法向凍脹力分布亦更加均勻,凍脹量的削減和不均勻系數(shù)的改觀是凍脹力減小的主要原因。

        圖3 混凝土襯砌板渠道不同方向凍脹力

        綜上分析得到,換填渠基后的渠道受力情況更加合理,不均勻系數(shù)得到明顯改觀,渠道凍脹量控制在安全允許范圍之內(nèi)。

        5 結(jié)語

        在選擇防凍脹方案時,應(yīng)全面地對方案進行比選分析,在確保工程施工前提下盡可能縮減經(jīng)費投入。兩種方案均具有可行性,但苯板保溫法會增加施工任務(wù)量,相應(yīng)地會增加施工成本。工程數(shù)值模擬得到,渠基換填方案能夠有效改觀渠道凍脹量、凍脹力分布,與實際監(jiān)測結(jié)果基本吻合,不均勻系數(shù)得到明顯改觀,渠道凍脹量控制在安全允許范圍之內(nèi)。

        [1]何武全,張紹強,吉曄,等.季節(jié)性凍土地區(qū)渠道防滲防凍脹技術(shù)與應(yīng)用模式[J].節(jié)水灌溉,2012,(11):67-70.

        [2]郭永昌,梁菊蓉.北屯灌區(qū)混凝土板襯砌渠道抗凍技術(shù)措施[J].低溫建筑技術(shù),2010,32(11):60-62.

        [3]朱思遠,陸立國,顧靖超.寧夏引黃灌區(qū)渠道砌護破壞原因分析與防治措施研究[J].節(jié)水灌溉,2011,(04):44-47.

        [4]陳雯龍.新疆混凝土防滲渠道凍脹破壞成因分析及防凍脹措施 [J].水利技術(shù)監(jiān)督,2011,19(03):45-47+55.

        [5]張瀟.南水北調(diào)石津干渠工程渠道防凍脹設(shè)計[J].海河水利,2017,(02):55-57.

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