巴旭慧

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局，新疆 伊犁 835000)

季節(jié)性凍土區(qū)混凝土渠道在經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用后，其強度會逐漸降低并導致脫落、剝離等現(xiàn)象，從而造成大范圍的渠道滲漏現(xiàn)象，嚴重降低了水資源的利用效率，因此，有必要對渠道的季節(jié)凍脹破壞效應進行系統(tǒng)分析，以便在渠道設計、施工及運行過程中采取多種措施預防渠道發(fā)生相應的變形破壞[1- 2]。

對于渠道凍脹變形破壞的研究，往往采用數(shù)值模擬分析的方式，研究表明：渠道的材料[3]、結(jié)構形式[4- 5]以及地下水位[6]均是影響其凍脹破壞的因素，而王正中、王羿、張如意、曹興山、宋玲等人則專門針對寒冷地區(qū)輸水渠道的凍脹破壞開展了數(shù)值分析和試驗研究，從凍脹作用機理等多種角度揭示了渠道在凍融循環(huán)作用下的破壞過程[7- 10]。新疆地區(qū)平均年降水量僅為155mm，水資源極度匱乏，缺水問題已成為制約新疆地區(qū)發(fā)展的主要因素之一，對于國家“一帶一路”建設也會起到一定的阻礙，因此，跨區(qū)域調(diào)水成為推動新疆社會經(jīng)濟發(fā)展重要措施之一[11]。

跨區(qū)域調(diào)水工程最主要的結(jié)構便是引水渠道，由于新疆地區(qū)屬典型的季節(jié)性凍土區(qū)，渠道凍脹破壞時常發(fā)生，對于水資源的利用效率是一個極大的浪費，而目前關于渠道凍脹破壞的研究還主要集中于無水狀態(tài)，對于輸水過程中的凍脹破壞還比較鮮見，因此本文以新疆某引水渠道為例，對其開展了輸水過程中水-熱-力耦合作用下的凍脹破壞效應數(shù)值模擬分析，以期為當?shù)氐那拦こ淘O計、施工和運維提供借鑒。

1 數(shù)值模型建立

1.1 工程背景

新疆某電站引水渠結(jié)構形式為混凝土襯砌梯形渠道，全長4.2km，縱向坡度為1/1200，邊坡坡度為1∶1.7，底板寬度為3m，渠道最大深度為4.5m，混凝土襯砌厚度為0.12m。由于渠道多由混凝土和漿砌石組成，在長期運行過程中，由于沖刷、凍脹等作用，底板和渠道底部發(fā)生較為嚴重的變形破壞，造成引水途中滲漏水現(xiàn)象嚴重，已不能完全滿足正常的運行條件。

1.2 計算原理及假設

首先對水熱耦合模塊進行計算，然后將溫度場及滲流場計算結(jié)果導入力學模塊并將水以荷載形式轉(zhuǎn)化為應力預定義場里，得到渠道所受的相應切向和法向應力值。模型建立之前作出以下幾點假設：①研究渠道周圍凍土均為各向連續(xù)的同性體；②凍土顆粒是不可壓縮變形的；③相變溫度為一定常數(shù)，文中取值為0℃；④零度等溫線至地下水位之間的溫度變化關系呈線性關系。

1.3 模型及參數(shù)設置

本文建立的分析上下厚度為9m，左右寬度為37.5m，即均為渠道深度和渠道上口寬度的2倍，采用四邊形網(wǎng)格劃分法，將模型劃分為21334個網(wǎng)格，如圖1所示?；炷恋膶嵯禂?shù)取1.65W/(m·℃)，凍土的導熱系數(shù)取1.987W/(m·℃)，多年不變的土溫取8℃，土和混凝土均視為線彈性性質(zhì)的材料；渠道初始含水率取15%，不考慮側(cè)向位移，下邊界沒有x、y方向的位移；水深分別取值為1m、2m、3m、4m，進行相應的分析計算。

圖1 數(shù)值分析模型

2 結(jié)果分析

2.1 溫度場

對1m和4m水深下的渠道周圍應力場分布進行了對比分析，其結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出：隨著深度的增加，渠基土的溫度逐漸升高，水深越深，渠底的溫度越高；水面以下的凍土溫度大于0℃，表明水面線以下的渠基土不會發(fā)生凍結(jié)；靠近渠道邊坡和基底處，溫度梯度變化較快，遠離渠道的渠基體的溫度變化較為平順且近似呈直線，部分渠堤土和渠坡板下土與大氣直接相接，受大氣負溫影響，會發(fā)生不均勻凍脹現(xiàn)象；水深對于渠道溫度的影響主要集中于水面線以上及以下部分區(qū)域，水深越深，渠道周圍土體的正溫區(qū)域面積越大，負溫區(qū)域面積越小，表明在深水條件下可以減小渠道襯砌呈及周邊土體凍脹作用的發(fā)生。

圖2 渠道周邊溫度場變化分析

2.2 變形場

圖3 渠道周邊變形場變化分析

同理對1m和4m水深下的渠道變形進行分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以對比得出：在1m水深下，渠道的最大變形位置位于渠道的邊坡坡頂處，而當水深較深時，渠道的最大變形位置位于渠道底部，這是因為渠道變形是在凍脹作用、襯砌自重以及水荷載作用共同影響下產(chǎn)生的，當水深越深時，渠道底部的凍脹作用雖然有所減弱，但是水荷載作用卻在增加，從而使得渠道底部的變形增大。進一步對不同水深下渠坡頂?shù)膬雒涀冃瘟窟M行統(tǒng)計分析，得到凍脹量隨水深的變化情況如圖4所示。從圖中可以看到：隨著水深的逐漸增加，渠坡頂?shù)膬雒涀冃瘟吭叫?，水深較淺時，渠基體的凍脹變形僅受到渠道邊坡板自重的影響和約束，而隨著水深的增加，水荷載的作用也逐漸在增大，渠基體的變形不僅受自重應力的約束影響，還受到水荷載的約束作用，因此使得渠道邊坡頂部的凍脹變形量減小，這也符合一般規(guī)律和常識。

圖4 渠坡頂凍脹變形量隨水深變化

2.3 應力場

在冬季運行過程中，渠道內(nèi)有水流通過，水面以上部位為凍土，而水面以下仍為非凍土區(qū)，故而凍脹力僅在水面以上部位的渠基土中產(chǎn)生，而在水面下的渠基土不會有凍脹力產(chǎn)生，在凍脹作用下邊坡板不同相對位置處正截面的上下邊緣的應力變化如圖5所示。從圖5中可以看出：水深不同，拉應力和壓應力的區(qū)域是不同的，隨著水深的增加，拉應力的區(qū)域變小(即凍脹)，而壓應力的區(qū)域逐漸增大(即未受凍脹)；不同水位下，凍脹力的應力值變化并明顯，相差不大，而壓應力卻隨水深增加而增大，且相對位置越深，值越大，這是因為受土體和水荷載自重應力的影響，水越深，自重應力越大。

圖5 正應力變化特征

對同一水深截面上下邊緣處的應力值進行對比，如圖6所示。從圖中可以看到：渠道上下邊緣處的正應力值基本相當，相差不大，由此可以說明：在輸水情況下，渠道邊坡混凝土板的凍脹力主要為切向應力，法向應力的影響相對較小。

圖6 相同水深上下邊緣正應力對比

3 結(jié)論與建議

以新疆某電站引水渠道為工程背景，采用數(shù)值模擬分析的方法，對不同水深下的渠道凍脹破壞進行了分析，研究結(jié)果表明：為了在季節(jié)性凍土區(qū)減小渠道的凍脹破壞，應該盡可能增加渠道水深，在設計渠道斷面時，應盡可能減小渠道底寬，這有利于提高梯形混凝土渠道的防凍脹破壞能力。研究成果可為寒區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)的渠道設計、施工和運維提供借鑒。