弋昭媛

(新疆額爾齊斯河流域建設(shè)開(kāi)發(fā)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

渠道是我國(guó)輸送水資源的重要方式，而北方季節(jié)凍土區(qū)渠系利用率很低，主要是由于渠基土凍脹發(fā)生破壞，降低了渠道輸水功能的效率，導(dǎo)致了大量灌溉水滲漏[1]。渠道工程在寒區(qū)受到凍脹破壞的影響情況嚴(yán)重，因此解決渠道防滲抗凍脹問(wèn)題是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要保障[2]。20世紀(jì)60年代，李翠蘭[3]依據(jù)毛細(xì)理論對(duì)土體產(chǎn)生凍脹力以及凍脹進(jìn)行分析并給出了定量計(jì)算，提出冰透鏡體之所以產(chǎn)生是由于凍脹壓力和抽吸壓力的存在；黃英豪[4]等對(duì)凍土中熱質(zhì)轉(zhuǎn)移以及水分運(yùn)移引起的水、熱、力多場(chǎng)耦合問(wèn)題進(jìn)行了探究，并通過(guò)適當(dāng)?shù)募僭O(shè)條件建立了模型方程，得出土體凍結(jié)規(guī)律。本文基于相關(guān)理論研究，結(jié)合前人的研究結(jié)果，以新疆北屯灌區(qū)渠道為研究對(duì)象進(jìn)行科學(xué)研究，通過(guò)建立試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)寒區(qū)渠道工程凍融災(zāi)變的水分場(chǎng)與溫度場(chǎng)鏈?zhǔn)阶饔脵C(jī)理進(jìn)行了研究并提出更加合理的抗凍脹的工程措施，為今后的工程實(shí)施提供參考。

1 寒區(qū)渠道工程有限元模擬

1.1 有限元計(jì)算基本假定

試驗(yàn)采用ABAQUS/Standard通用分析模塊設(shè)定模型參數(shù)以及施加各種類(lèi)型的荷載，可提交并監(jiān)視分析作業(yè)[5]。本文不考慮水、熱、以及力三場(chǎng)耦合的數(shù)值模擬，而是將凍土視為冷脹材料，對(duì)模擬過(guò)程采用合理的簡(jiǎn)化，并假設(shè)渠基凍土是連續(xù)均勻的各向同性材料，將渠基土凍結(jié)的過(guò)程看作穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)過(guò)程。

1.2 渠道凍脹數(shù)值模擬

比較原型試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，采用4節(jié)點(diǎn)的平面應(yīng)變單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，選取渠基土從頂向下到15m位置，邊界界定離渠道坡3m，得到如圖1所示的渠道有限元網(wǎng)格。

圖1 渠道有限元網(wǎng)格

表1為凍土及其他材料參數(shù)，由表1可知，凍土的泊松比為0.35，混凝土襯砌板導(dǎo)熱系數(shù)為0.65W/(m·℃)，下層土體受外界的影響較小，其導(dǎo)熱系數(shù)較大。

1.3 溫度場(chǎng)及力場(chǎng)的模擬計(jì)算

圖2為渠基的溫度場(chǎng)分布。由圖2可知，渠道的不同位置，溫度不同，且陰坡的溫度梯度稍大于陽(yáng)坡，與實(shí)際工程情況相符合。渠基土底部含水率高于渠道邊坡，溫度等值線越靠近底部越接近于水平直線，渠底的溫度梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于渠坡。陰坡的最大凍深為145.2cm，陽(yáng)坡的最大凍深為133.1cm，渠底的最大凍深為144.8cm。在凍土兩側(cè)豎直段設(shè)置水平方向約束，并在模型上施加靜力。渠底基土產(chǎn)生的凍脹量最大，陽(yáng)坡最小，最大凍脹變形發(fā)生在渠道底部，為12.31cm，渠底板和渠坡板在接近坡腳位置相互約束且凍脹量較小。

圖2 渠基的溫度場(chǎng)分布

2 渠道凍融原型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)儀器及觀測(cè)方法

試驗(yàn)用儀器及其作用見(jiàn)表2[6- 7]。

表2 試驗(yàn)用儀器

在對(duì)地溫進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)自當(dāng)年10月份進(jìn)入凍結(jié)期開(kāi)始，觀察每天3∶00、9∶00、15∶00、21∶00的土壤溫度并記錄最高、低氣溫值。凍脹力以及凍深的測(cè)量同樣自進(jìn)入凍結(jié)期開(kāi)始，每日測(cè)量不同凍深數(shù)據(jù)以及凍脹力的數(shù)值。距離渠道12m位置處設(shè)立埋深為2.5m的基準(zhǔn)高程點(diǎn)，利用水準(zhǔn)儀測(cè)量垂直凍脹位移，經(jīng)緯儀測(cè)量水平凍脹位移量，觀測(cè)每日渠底、陽(yáng)坡以及陰坡不同測(cè)點(diǎn)處襯砌體表面測(cè)量垂直和水平位移量矢量合成凍脹變形[8]。

2.2 試驗(yàn)方案

原型試驗(yàn)區(qū)位于新疆北屯灌區(qū)，平均土體凍深為2m，渠基土體為低液限粉土，防滲效果一般，歷年的最大凍深為2.6m，試驗(yàn)區(qū)地下水位超過(guò)12m，相關(guān)土壤性能見(jiàn)表3。

表3 渠基土壤性能參數(shù)

試驗(yàn)渠道為東西走向，設(shè)計(jì)流量為25m3/s，混凝土襯砌板為15cm等厚板，底板和坡板采用混凝土現(xiàn)澆。試驗(yàn)開(kāi)始前一周排空渠道內(nèi)的水，渠道的總長(zhǎng)度為65m，渠道深35m，邊坡系數(shù)1.0，地溫測(cè)段長(zhǎng)250cm，渠道凍脹應(yīng)力測(cè)段長(zhǎng)435cm，土壤凍深測(cè)段長(zhǎng)288cm，復(fù)合襯砌渠道凍脹變形測(cè)段長(zhǎng)330cm。測(cè)試點(diǎn)分別在渠底中心(O)，設(shè)計(jì)水位點(diǎn)(S1、N1)、2/3設(shè)計(jì)水位點(diǎn)(S2、N2)以及1/3設(shè)計(jì)水位點(diǎn)(S1、N1)。

3 寒區(qū)渠道工程凍融災(zāi)害鏈?zhǔn)皆囼?yàn)研究

3.1 渠道凍脹破壞機(jī)理及特征分析

土體水分不斷的遷移是導(dǎo)致渠基土發(fā)生不均勻凍脹的原因，水分發(fā)生運(yùn)移的深度范圍小并且運(yùn)移的量也比較少，如圖3所示凍結(jié)期渠基不同測(cè)點(diǎn)含水率沿深度變化的趨勢(shì)，由圖3可知，在0～55cm范圍內(nèi)，渠基土體的含水率隨著深度的增加而增大，渠道底部的含水率最大，且陽(yáng)坡的含水率要明顯小于陰坡的含水率。而在55～100cm范圍內(nèi)，隨著深度的增大，土體的含水率逐漸減小。

渠基土體深度65cm處水分變化的數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，由表4中數(shù)據(jù)可得，凍結(jié)期渠基土體水分變化最大值為15%，發(fā)生在渠底O處，水分向上遷移。而融水期水分變化量最大值也出現(xiàn)在O點(diǎn)，為12%，水分向下消散。

表4 渠基土體深度65cm處水分變化 單位：%

試驗(yàn)測(cè)得襯砌渠道各測(cè)點(diǎn)凍脹變形量的最大值見(jiàn)表5凍脹量、凍脹力以及土體凍深觀測(cè)值所示，

由表5可得，陰坡測(cè)點(diǎn)S3和渠底測(cè)點(diǎn)O處凍脹變形量最大，分別為13.5cm和12.5cm，陽(yáng)坡的凍脹變形量最小。凍脹力最大值出現(xiàn)在陰坡S3測(cè)點(diǎn)處，為185MPa，其次為渠底O測(cè)點(diǎn)處的165MPa，陽(yáng)坡測(cè)點(diǎn)處的凍脹力要遠(yuǎn)小于其他測(cè)點(diǎn)。在氣溫下降階段，最大凍脹力出現(xiàn)在陰坡底部向上1/3處，而隨著溫度的上升，凍脹應(yīng)力也隨之減小，最終為負(fù)值。

表5 凍脹量、凍脹力以及土體凍深觀測(cè)值

利用TZY- 1型綜合測(cè)定儀，選取不同部位復(fù)合土工膜試驗(yàn)單元，檢測(cè)復(fù)合土工膜變形和強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)一個(gè)凍融周期，得到復(fù)合土工膜的伸長(zhǎng)率以及強(qiáng)度的變化值，見(jiàn)表6復(fù)合土工膜的強(qiáng)度及變形值，由表6可知，縱向抗拉強(qiáng)度損失率為10%，橫向抗拉強(qiáng)度最大損失值為4.5kN/m，發(fā)生在渠底部位，縱向抗拉強(qiáng)度最大損失值為5.2kPa，也發(fā)生在渠底；土工膜的伸長(zhǎng)率減小了約10%，滿(mǎn)足土工膜強(qiáng)度減小最大的位置出現(xiàn)在渠底板與渠坡交接點(diǎn)向上1/3處。

3.2 渠道凍脹鏈?zhǔn)椒治?/h3>

通過(guò)分析實(shí)測(cè)渠基土體的溫度與水分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)研究分析三場(chǎng)耦合作用下水分運(yùn)移與凍土內(nèi)部溫度間的相關(guān)性。表7為渠基10cm處水分運(yùn)移量、凍結(jié)溫度以及渠道凍深值，由表7可知，在不考慮凍結(jié)期地下水對(duì)渠基土水分補(bǔ)給作用下，在凍結(jié)期，只有初始水分參與土體水分的運(yùn)移，發(fā)生運(yùn)移的深度范圍較小，水分向上聚集運(yùn)移量為4.8%，凍結(jié)作用消失后平均水分向下消散的運(yùn)移量為4.5%，其中+表示水分向上遷移；-表示水分向下消散。

表6 復(fù)合土工膜的強(qiáng)度及變形值

表7 渠基10cm處水分運(yùn)移量、凍結(jié)溫度及渠道凍深

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)渠道凍脹破壞過(guò)程中各個(gè)因素間鏈?zhǔn)疥P(guān)系的研究，結(jié)合具體工程實(shí)例，對(duì)渠道凍脹破壞不同時(shí)期以及引起凍脹因素間的鏈?zhǔn)揭?guī)律進(jìn)行了分析，得到了以下結(jié)論：

(1)利用ABAQUS有限元分析軟件，對(duì)渠道的溫度應(yīng)力場(chǎng)及變形場(chǎng)模擬以受力及凍脹規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算分析，通過(guò)合理簡(jiǎn)化假設(shè)，選取合理的參數(shù)，將凍結(jié)期內(nèi)凍土和襯砌板視為整體考慮受力變形的特性，發(fā)現(xiàn)渠道整體結(jié)構(gòu)被向上抬起，渠道襯砌板表面主應(yīng)力在渠道坡板往上1/3以及底板處較大，與原型試驗(yàn)觀測(cè)相符。

(2)對(duì)渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞鏈?zhǔn)綑C(jī)理進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)凍脹現(xiàn)象是對(duì)地溫和水分分布作用的響應(yīng)，土體水分的遷移主要受地溫和土體性質(zhì)作用的影響，氣溫和地溫的變化趨勢(shì)直接影響混合襯砌渠道渠基土凍深的發(fā)展。凍深最大值以及渠道凍脹最大變形量都發(fā)生在渠道底部O點(diǎn)，渠基土水分含量隨土層深度的變化而變化。