魏鵬，宋玲*，陳瑞考，杜民瑞

（石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003）

我國(guó)西北地區(qū)屬于季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)，在這片廣闊的土地上修建了眾多輸送水資源的渠道，然而這些渠道每年都會(huì)面臨嚴(yán)重的凍脹破壞問(wèn)題，使得大量寶貴的水資源通過(guò)凍脹破壞的地方滲漏到地下，造成極大的浪費(fèi)。目前，針對(duì)冬季停水渠道的破壞機(jī)理和防凍脹措施研究已經(jīng)基本成熟，這些措施在實(shí)際工程運(yùn)用中取得了良好效果。

Morgado F 等[1]、Shimomoto R 等[2]分析了寒區(qū)渠道破損的原因并且提出了修復(fù)預(yù)制混凝土板本身存在的一些缺陷的方法；Aldaood A等[3]、Amanuma C等[4]研究了凍脹對(duì)土中熱量傳導(dǎo)以及體積變化產(chǎn)生的影響；Li S等[5]通過(guò)研究認(rèn)為渠道凍脹破壞主要是因?yàn)樨?fù)溫使得凍脹性土壤中形成大量冰透鏡，導(dǎo)致渠道基土隆起形成破壞；阿布力米提·依斯馬義[6]設(shè)計(jì)了4種冬季停水渠道防凍脹方案，通過(guò)改變渠坡和渠底保溫板的厚度對(duì)渠坡發(fā)生的凍脹量進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果表明，保溫板越厚保溫效果就越好，采取保溫措施的渠道具有良好的防凍脹效果，能有效避免凍脹對(duì)渠道造成的破壞；阿布力米提·依斯馬義的研究[6]充分肯定了聚苯乙烯保溫板對(duì)于渠道防凍脹具有良好的作用，因此在冬季輸水渠道保溫措施中可以?xún)?yōu)先考慮保溫板這種可靠的材料[7]；王文杰[8]對(duì)冬季停水渠道渠基易凍脹土體換填防凍脹措施效果進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)渠道陰坡的凍融深度是整個(gè)渠道中最大的，所以在設(shè)計(jì)時(shí)陰坡部位換填深度應(yīng)該相應(yīng)增加，可以預(yù)料到冬季輸水渠道在換填時(shí)也應(yīng)如此，但該研究缺點(diǎn)是沒(méi)有進(jìn)一步給出冬季輸水渠道應(yīng)該換填的相應(yīng)措施；宋玲[9]提出了冬季輸水渠道凍脹破壞機(jī)理，并且給出了計(jì)算保溫材料的厚度的計(jì)算公式。

通過(guò)上述的研究可知，目前對(duì)于凍土區(qū)冬季停水渠道從建立凍脹破壞模型[10]到采取相應(yīng)的防凍脹措施研究已經(jīng)非常完善，但對(duì)于冬季輸水渠道還鮮有研究，同時(shí)一些凍土區(qū)的冬季輸水渠道，如水電站引水渠還在盲目套用停水渠道的保溫防凍脹方法，這就造成了人力、財(cái)力的極大浪費(fèi)，因此，目前亟待需要找到一種適用于冬季輸水渠道的保溫防凍脹措施。

1 渠道凍脹影響要素及凍脹過(guò)程分析

1.1 凍脹影響要素分析

經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[11-13]可知，引起渠道凍脹的因素有很多，其中最主要的因素是渠基土的種類(lèi)、含水率和負(fù)溫。因此，只要控制這3個(gè)主要因素中的一個(gè)或者兩個(gè)就完全可以達(dá)到渠道防凍脹破壞的目標(biāo)，最終延長(zhǎng)渠道使用年限，降低渠道維修成本。

1.2 渠道凍脹過(guò)程分析

季節(jié)性?xún)鐾羺^(qū)的渠道凍脹破壞主要過(guò)程為：當(dāng)渠道上方大氣溫度降至能使渠基土中水分相變的溫度后，具有凍脹性的那部分基土中的水分開(kāi)始以土壤中的細(xì)小微粒為核心由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化最終凝結(jié)形成冰晶，此時(shí)，冰晶的體積相較于形成冰晶的水的體積大大增加，其體積增加幅度為9%[14]；隨著環(huán)境負(fù)溫逐漸下降，土體中的冰晶越來(lái)越多，其原有的土壤空隙已經(jīng)不能容納逐漸增多的冰晶體積，混凝土襯砌板后基土由于冰晶間相互擠壓作用產(chǎn)生凍脹應(yīng)力[15]；隨著負(fù)溫進(jìn)一步降低，土體中應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增大，最終混凝土襯砌板后的土體在凍脹應(yīng)力作用下產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的凍結(jié)膨脹，推動(dòng)其上混凝土襯砌板發(fā)生位移，使其受拉或受折形成凍脹破壞。

2 有限元分析假設(shè)與相關(guān)材料參數(shù)選取

2.1 有限元分析假設(shè)

渠道凍脹破壞受到諸多因素影響，在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)并不能完全模擬所有因素，因此必須簡(jiǎn)化模型和對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)假設(shè)，現(xiàn)假設(shè)如下[16]：

（1）將混凝土襯砌渠道與下方溫度恒定處的土體看成是一個(gè)整體，在數(shù)值模擬中認(rèn)為土體是一個(gè)各向同性的線彈性材料。

（2）因?yàn)榍涝陂L(zhǎng)度方向遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其橫截面尺寸，因此可以將其看成是平面應(yīng)變問(wèn)題，在數(shù)值計(jì)算時(shí)可以減少計(jì)算量。

（3）邊坡板后基土中的水是含有鹽分、多種礦物質(zhì)的混合溶液，因此其相變溫度低于0℃，本文取相變溫度為-1℃。

（4）渠道在凍結(jié)過(guò)程中可以將其視為一個(gè)全封閉系統(tǒng)，認(rèn)為在凍結(jié)的范圍內(nèi)水分達(dá)到飽和狀態(tài)，不發(fā)生水分遷移。

2.2 相關(guān)材料參數(shù)的選取

本文以新疆瑪納斯四級(jí)電站引水渠為研究對(duì)象，圖1為渠道原型尺寸。

圖1 渠道原型Fig.1 canal model

模型在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)不區(qū)分陰坡陽(yáng)坡，渠道在凍結(jié)期的上邊界平均溫度為-9℃，下邊界是由渠頂向下8.5米深度處，平均溫度為14℃，此外，渠道在頂部水平方向延伸2 m。

瑪納斯地區(qū)凍深一般在1.2 m-1.6 m[17]，本文取1.6 m。渠基土種類(lèi)為黏土，其在凍結(jié)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.91 W/(m·℃)。此外，混凝土襯砌板導(dǎo)熱系數(shù)為1.58 W/(m·℃)。新式保溫防凍脹結(jié)構(gòu)使用的保溫材料為聚苯乙烯保溫板，其具有質(zhì)量輕、低導(dǎo)熱性、便于施工等優(yōu)良性能，其導(dǎo)熱系數(shù)取0.044 W/(m·℃)。

瑪納斯四級(jí)電站引水渠為冬季無(wú)冰蓋輸水渠道，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，渠道平均水溫取5℃，水在5℃時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)為0.58 W/(m·℃)。數(shù)值模擬時(shí)，渠道兩邊邊界加X(jué)方向約束，Y方向自由，下邊界在X和Y方向都對(duì)其進(jìn)行約束。

3 數(shù)值分析部分

3.1 冬季停水渠道與輸水渠道有限元計(jì)算模型

圖2為凍區(qū)冬季停水和輸水時(shí)渠道有限元計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分圖。模型采用四邊形網(wǎng)格通過(guò)自動(dòng)生成和人工調(diào)整劃分出單元。圖2a共劃分出3019個(gè)單元格，圖2b共劃分出3856個(gè)單元。

圖2 凍區(qū)冬季停水和輸水時(shí)渠道有限元計(jì)算模型Fig.2 Finite element calculation model of without delivering water（a） and delivering water(b)canal in winter

3.2 冬季停水渠道與輸水渠道溫度場(chǎng)對(duì)比

由圖3可知：

（1）冬季停水渠道模型渠坡后基土法向凍深略大于渠底凍深（圖3a）。

這主要是因?yàn)榍阑炷烈r砌板后基土同時(shí)受到渠頂和渠坡表面2個(gè)方向的負(fù)溫影響，凍深的加深沿渠坡距離渠頂越近越明顯，而渠道底部基土只受到上部一個(gè)方向處的負(fù)溫影響，所以此處凍深相較于渠坡后兩側(cè)略小，因此在混凝土襯砌板后添加保溫材料時(shí)，可以在渠道不同部位添加不同厚度的保溫材料，在節(jié)約成本的前提下達(dá)到理想的防凍脹效果。

圖3 停水、輸水渠道的溫度場(chǎng)Fig.3 Temperature field of without delivering water（a）and delivering water(b)canal in winter

（2）冬季停水渠道溫度場(chǎng)變化較為平緩，但冬季輸水渠道的溫度等值線在水、大氣及襯砌板交界處產(chǎn)生了劇烈的溫度變化。

究其原因主要是，此處大氣負(fù)溫-9℃，水體溫度5℃，此處邊坡板后基土溫度最高為1℃，最高溫度和最低溫度溫度間距達(dá)到了10℃，因此此處溫度變化較為強(qiáng)烈，這和冬季停水渠道有著明顯的區(qū)別，可以預(yù)見(jiàn)水位線附近凍脹破壞也較為常見(jiàn)，在工程實(shí)際中也確是如此（圖4）。

圖4 冬季輸水渠道常見(jiàn)破壞分布情況Fig.4 Distribution of common damage of delivering water canal in winter

（3）冬季輸水渠道在水位線以下部分渠道邊坡板后基土溫度都在零攝氏度以上（圖3b），這部分渠基土在實(shí)際工程中是不會(huì)發(fā)生凍脹破壞的，故在實(shí)際施工時(shí)可以考慮在水面以下混凝土襯砌板后不鋪設(shè)保溫材料，這一點(diǎn)也和冬季停水渠道有著很大的差別。

3.3 冬季輸水渠道新式保溫防凍脹結(jié)構(gòu)

3.3.1 新式防凍脹結(jié)構(gòu)模型

圖5為新式保溫防凍脹結(jié)構(gòu)圖。王英浩等[18]研究結(jié)果表明渠頂水平方向1.5 m范圍內(nèi)的基土產(chǎn)生的凍脹都會(huì)影響到渠道整體的凍脹破壞情況，據(jù)此在渠道頂部水平方向延伸1.5 m長(zhǎng)的聚苯乙烯保溫板，在水面以上渠坡板后整體鋪設(shè)保溫板，水面以下部分不鋪設(shè)保溫材料。此外，在保溫板上部鋪設(shè)0.2 m厚的壓實(shí)土層用來(lái)保護(hù)保溫板不被破壞和延長(zhǎng)其使用年限。根據(jù)瑪納斯四級(jí)電站引水渠實(shí)測(cè)工程資料，渠道使用的混凝土襯砌板采用C20預(yù)制混凝土，厚度為0.15 m，模型中水位取2.5 m。根據(jù)《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范SL 23-2006》中的經(jīng)驗(yàn)公式

式中，Zd為凍深，D為保溫材料厚度。

由式（1）可知，聚苯乙烯保溫板厚度的選取與凍深有關(guān)，一般為凍深的1/10-1/15，據(jù)此可以計(jì)算出聚苯乙烯保溫板厚度合理范圍為10-16 cm；而根據(jù)保溫材料厚度計(jì)算公式[19]計(jì)算出保溫板厚度約為7.5 cm，兩者厚度取值具有一定的差距。本文研究綜合考慮2種保溫板厚度的確定方法，制作6種模型，保溫板厚度分別為 8、10、12、13、14、15 cm。

圖5 新式保溫結(jié)構(gòu)圖Fig.5 A new type preserve heat structure

3.3.2 冬季輸水渠道無(wú)保溫措施與新式防凍脹結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)對(duì)比

圖6為冬季輸水渠道在無(wú)任何防凍脹措施情況下和鋪設(shè)12 cm聚苯乙烯保溫板的渠道溫度場(chǎng)。

圖6 無(wú)保溫材料和鋪設(shè)12 cm厚聚苯乙烯保溫板冬季輸水渠道的溫度場(chǎng)Fig.6 Temperature field of non thermal insulation material（a）and with 12 cm thick polystyrene insulation board(b)

由圖6可知：

（1）冬季輸水渠道溫度等值線在水面、大氣以及襯砌板交界處產(chǎn)生了強(qiáng)烈的溫度變化，但在鋪設(shè)聚苯乙烯保溫板后這種不良的溫度變化情況得到了非常好的改善，溫度等值線沿著保溫板厚度方向均勻分布并且在達(dá)到聚苯乙烯保溫板底部時(shí)得到了顯著提升。由于在渠道頂部水平方向鋪設(shè)了1.5 m的聚苯乙烯保溫板，使得水面以上渠坡后基土溫度得到了較大的提升，凍深也隨之大大減少。

（2）2種渠道模型在水面以下部分的溫度分布基本一致，均在土體相變溫度以上。這主要是因?yàn)榍乐械乃w可以作為熱源源源不斷的向著渠坡后基土提供熱量，并且這部分水體也可以作為隔絕外界寒冷負(fù)溫的天然屏障，起到了良好的保溫作用。

3.3.3 冬季輸水渠道在鋪設(shè)和不鋪設(shè)保溫板時(shí)全斷面應(yīng)力分布比較

圖7是渠道自左側(cè)渠頂?shù)接覀?cè)渠頂混凝土襯砌板后的應(yīng)力分布情況。由圖7可知：

（1）冬季輸水渠道不加聚苯乙烯保溫材料的混凝土襯砌板后應(yīng)力最大值為125.5 MPa，且明顯位于水面與混凝土襯砌板的交界處。這主要是因?yàn)榇颂幉粌H溫差較大而且水面以上與水面以下溫度變化速率非常快，從而導(dǎo)致冬季輸水渠道在水面與混凝土襯砌板交界處的應(yīng)力相比于其他部位是最大的，這個(gè)部位的破壞情況通常是沿著水位線附近在邊坡板上產(chǎn)生水平方向的裂縫（圖4）。而采用新式保溫結(jié)構(gòu)的冬季輸水渠道在此處的應(yīng)力直接下降到了16.1 MPa，相較于不加保溫板渠道此處的應(yīng)力值大大減小，這是由于在水面以上混凝土襯砌板后鋪設(shè)了12 cm的聚苯乙烯保溫板，這極大降低水面附近的溫差以及溫度變化速率。

因此，新式保溫防凍脹結(jié)構(gòu)是合理有效防止渠道凍脹的措施。

（2）無(wú)保溫措施和有保溫措施的渠道在坡腳處應(yīng)力都有下降。這主要是因?yàn)閮蓚?cè)渠坡后基土在發(fā)生凍脹后會(huì)使渠道整體抬升，但是由于渠底并未產(chǎn)生向上的凍脹力，這就導(dǎo)致坡腳處壓應(yīng)力相對(duì)于渠底整體略有減小。

圖7 兩種情況下邊坡板后應(yīng)力圖Fig.7 Post stress diagram of slope slab under two conditions

3.3.4 冬季輸水渠道最佳聚苯乙烯保溫板厚度確定

由于研究過(guò)程中不區(qū)分陰坡陽(yáng)坡，所以渠道左右兩側(cè)位移對(duì)稱(chēng)分布，故只繪制渠道一側(cè)襯砌板的位移，如圖8所示。由圖8可知，有保溫措施與無(wú)保溫措施的冬季輸水渠道襯砌板位移都在坡頂處是最大的，水面以下渠道斷面基本不發(fā)生凍脹性破壞。

因?yàn)槿鄙賹?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，綜合考慮后確定使用新疆阜康某大型罐區(qū)渠道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[20]，該渠道底寬4 m，渠深3.0 m，平均凍深1.45 m，襯砌板厚度為12 cm，此渠道基本條件與本文所選原型渠道整體情況基本相同。該試驗(yàn)段凍脹變形量采用水準(zhǔn)儀測(cè)定水平方向位移數(shù)值，經(jīng)緯儀測(cè)定垂直方向位移數(shù)值。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得渠道冬季在自然凍結(jié)情況下陽(yáng)坡最大凍脹量為6.5 cm，而本文數(shù)值分析時(shí)冬季輸水渠道不加保溫板最大凍脹位移為6.25 cm，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬偏差為0.25 cm，誤差3.8%，從而可知數(shù)值模擬計(jì)算精度滿(mǎn)足實(shí)際需求。

冬季輸水渠道鋪設(shè)8 cm的聚苯乙烯保溫板后最大凍脹位移驟降至3.7 cm，可見(jiàn)聚苯乙烯保溫板對(duì)于減少渠道凍脹破壞具有非常明顯的作用。當(dāng)保溫板厚度增至12 cm后最大位移為2.75 cm，此時(shí)的渠道邊坡板的凍脹位移符合《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范SL 23-2006》中規(guī)定的凍脹位移在3 cm以?xún)?nèi)的范圍，但在鋪設(shè)13、14、15 cm的聚苯乙烯保溫板后襯砌板的凍脹位移為2.5、2.46、2.35 cm，由此可見(jiàn)，鋪設(shè)13 cm的保溫板比12 cm保溫板后凍脹位移仍有很大幅度減少，但是再增加保溫板厚度凍脹位移的減弱已經(jīng)非常微小，所以在偏安全的基礎(chǔ)上考慮保溫板厚度取值為13 cm。

冬季輸水渠道水面以下不發(fā)生凍脹位移主要是原因是：水體自身可以作為熱源為混凝土襯砌板后基土提供熱量，增加坡后基土溫度，并且渠道中的水具有一定的重力，對(duì)水面以下襯砌板的變位也具有一定的限制作用。

圖8 渠頂?shù)角字行奶幰r砌板位移Fig.8 Displacement of lining canal at the center bottom to the top of canal

4 討論

本文針對(duì)冬季輸水渠道所提出的新式保溫防凍脹措施能有效防止了渠道在冬季正常輸水情況下的凍脹破壞，它與目前一些學(xué)者所提出的保溫防凍脹措施既有相似之處，又有不同的地方：

（1）王文杰等[8]通過(guò)換填渠道坡后易凍脹的土體來(lái)達(dá)到渠道冬天防凍脹的目的，這與新式保溫結(jié)構(gòu)相同點(diǎn)在于都是利用熱阻等效原理通過(guò)換填或者添加新材料相對(duì)無(wú)防凍脹措施的渠道基土提高了溫度，從而防止凍脹破壞。但換填所需的材料價(jià)格較高，并且在施工方面的也不如聚苯乙烯保溫板操作簡(jiǎn)便。此外，新式保溫防凍脹措施是針對(duì)冬季輸水渠道而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，而文獻(xiàn)中所提出的換填方式是針對(duì)冬季停水渠道而設(shè)計(jì)的又有很大區(qū)別，所以在實(shí)際冬季輸水渠道工程中應(yīng)當(dāng)考慮使用新式保溫防凍脹措施。

（2）王英浩等[18]指出在渠道不同部位設(shè)置不同厚度的聚苯乙烯保溫板用以保護(hù)渠道不受凍脹破壞，新式保溫措施在設(shè)置保溫板時(shí)所鋪設(shè)部位都采用了同一厚度，因此在設(shè)計(jì)時(shí)可以進(jìn)一步確定水面以上邊坡以及渠頂水平方向上的各自保溫板厚度以確保在實(shí)際工程中達(dá)到更好地保溫防凍脹效果。

（3）冬季輸水渠道因?yàn)槌Ｄ贻斔麄€(gè)斷面基土含水量必定大于停水渠道，因此可以在混凝土襯砌板后鋪設(shè)防水材料來(lái)減少基土中的含水量，尤其要加強(qiáng)渠道冬季過(guò)水時(shí)水位線附近渠坡后基土的防滲設(shè)計(jì)，從而減少凍脹破壞。

5 結(jié)論

（1）冬季輸水渠道與停水渠道在溫度場(chǎng)上有著非常大的差異，停水渠道整個(gè)橫斷面上等溫線分布比較均勻，輸水渠道在水面、大氣、襯砌板交界處，由于溫差較大的原因等溫線在此交界處產(chǎn)生了強(qiáng)烈變化。

（2）使用新式保溫防凍脹措施后，渠道橫斷面等溫線分布由在水位線處產(chǎn)生密集聚集變?yōu)檠鼐郾揭蚁┍匕寰鶆蚍植?，并且在?yīng)力場(chǎng)中顯著減弱了水面、大氣以及邊坡板附近處的應(yīng)力過(guò)大現(xiàn)象。

（3）新式保溫防凍脹結(jié)構(gòu)中的聚苯乙烯保溫板采用13 cm時(shí)最大凍脹位移是2.5 cm，符合《渠系工程抗凍脹設(shè)計(jì)規(guī)范SL 23-2006》中允許位移范圍0-3 cm。保溫板厚度取13 cm是最合理的。