潘特

（岫巖滿族自治縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧岫巖114300）

0 引言

我國(guó)大部分地區(qū)屬于溫帶，存在面積廣大的季節(jié)性凍土區(qū)，這些地區(qū)的地表在冬春季期間存在比較明顯的凍融作用，并形成一層凍融層。顯然，凍融會(huì)對(duì)土體的物理力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)造成比較顯著的影響，進(jìn)而影響到水工結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性[1]。特別是當(dāng)?shù)氐妮斔?，其土質(zhì)邊坡在凍融作用下往往會(huì)造成比較嚴(yán)重的破壞[2]。雖然國(guó)內(nèi)外在土質(zhì)邊坡渠道的防凍脹破壞方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究和探索，但是并沒(méi)有在本質(zhì)上解決問(wèn)題，凍脹破壞仍舊是寒區(qū)渠道破壞的主要形式和原因[3]。

燈塔灌區(qū)是遼寧省的大型灌區(qū)，其所處的遼河平原地區(qū)為典型的中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬季和夏季溫差較大，冬季的極端最低氣溫為-42 ℃，土壤凍結(jié)深度為1.2～2.5 m[4]。由于燈塔灌區(qū)的地下水比較豐富且水位較高，因此渠道的凍脹破壞比較嚴(yán)重，普通混凝土襯砌渠道，一般經(jīng)過(guò)3～5 年的使用就會(huì)產(chǎn)生比較明顯的凍脹破壞[5]。為了提高渠道防凍脹效果，擬在節(jié)水改造工程中利用在渠道襯砌與土體之間鋪設(shè)聚苯乙烯板進(jìn)行防凍脹處理。由于在這方面沒(méi)有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)和工程經(jīng)驗(yàn)借鑒，研究和確定合適的保溫板厚度具有十分重要的意義，可以在保證保溫效果的同時(shí)，最大限度降低工程的施工成本?；诖耍恼乱怨鄥^(qū)的2 號(hào)支渠為例進(jìn)行數(shù)值模擬研究，以便確定最佳的保溫板厚度。

1 數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建

1.1 ADINA 有限元軟件簡(jiǎn)介

ADINA 有限元軟件以有限元理論為基礎(chǔ)，可以利用力學(xué)領(lǐng)域的線性和非線性方程組的求解解決普通力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及溫度場(chǎng)領(lǐng)域的問(wèn)題。該軟件被開(kāi)發(fā)出來(lái)之后，憑借其強(qiáng)大的非線性問(wèn)題的分析功能，在工程界、科學(xué)界以及教育界等諸多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[6]。因此，此次研究選擇ADINA 有限元軟件進(jìn)行研究渠段的有限元計(jì)算模型構(gòu)建。

1.2 幾何模型與邊界條件

研究渠段選取的是遼寧省燈塔灌區(qū)2 號(hào)支渠。該段渠道為混凝土預(yù)制板襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其底板的寬度為3.00 m，深4.50 m，坡度為1∶1.75。研究中以該段渠道為背景進(jìn)行計(jì)算模型的構(gòu)建，根據(jù)渠道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)，確定模型的參數(shù)和邊界條件。模型的上部為空氣對(duì)流條件，下部為凍深邊界。其中，渠道陽(yáng)坡的法向凍深為0.75 m，陰坡的法向凍深為0.39 m，渠底的凍深為上述兩個(gè)凍深之間的過(guò)渡。由于渠道的凍脹過(guò)程比較復(fù)雜，會(huì)受到諸多因素的影響，因此在模型的建立過(guò)程中將襯砌和渠道視為一個(gè)整體，以實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建的便捷性，保證研究工作的順利進(jìn)行。由于研究渠段的基土性質(zhì)比較單一，因此在研究中認(rèn)為其具有各項(xiàng)同性的特點(diǎn)。由于當(dāng)?shù)氐牡叵滤槐容^穩(wěn)定，因此不考慮水位升降的變化，同時(shí)基土的凍脹僅和基土本身的負(fù)溫有關(guān)；研究中認(rèn)為基土溫度不存在渠道軸線方向上的差異，因此采用二維平面模型進(jìn)行溫度荷載的應(yīng)變研究[7]。

1.3 模型的構(gòu)建與計(jì)算參數(shù)

由于構(gòu)建的模型上部與空氣直接接觸，因此認(rèn)為上表面的溫度和當(dāng)?shù)貧鉁叵嗤⒃O(shè)置為當(dāng)?shù)? 月平均氣溫值，陽(yáng)坡和陰坡分別為-8.41 ℃和-3.39 ℃。模型下方設(shè)置凍深邊界條件，因此將模型下部的溫度設(shè)置為0 ℃，結(jié)合工程實(shí)際和相關(guān)研究成果，采用直接傳導(dǎo)的溫度傳導(dǎo)方式。對(duì)構(gòu)建的幾何模型進(jìn)行映射網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，并?duì)襯砌和基土表層部位進(jìn)行加密，最終獲得556 個(gè)網(wǎng)格單元，有限元模型示意圖如圖1 所示。

圖1 渠道有限元模型示意圖

計(jì)算參數(shù)是影響有限元模型計(jì)算結(jié)果的重要因素，在研究中結(jié)合相關(guān)的技術(shù)資料和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，確定如表1 和表2 所示的計(jì)算參數(shù)。

表1 渠道土體基本參數(shù)表

表2 各種材料的力學(xué)參數(shù)

2 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模型的科學(xué)性和有效性，在研究渠段鋪設(shè)地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)和記錄地溫?cái)?shù)據(jù)。利用已構(gòu)建的模型對(duì)研究渠段的地溫進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的地溫變化曲線比較接近，說(shuō)明文章構(gòu)建的有限元計(jì)算模型具有較高的預(yù)測(cè)精度，可以用于后續(xù)研究。此外，從圖2 中的變化曲線可知，地溫雖然隨著深度的增加而增加，但是增加的幅度較為有限，說(shuō)明在襯砌下鋪設(shè)聚苯板可以在30 cm 以上的土層中產(chǎn)生比較顯著的增溫效果。

圖2 模型驗(yàn)證結(jié)果

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 保溫效果

為了研究襯砌下聚苯板的保溫效果，特別是不同厚度的聚苯板對(duì)保溫效果的影響，研究中結(jié)合相關(guān)研究成果，設(shè)置 2，4 ，6 ，8，10 ，12 cm 等 6種不同的厚度參數(shù)，進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建，并分別記為模型1 至模型6。為了研究聚苯板的保溫效果，同時(shí)設(shè)置無(wú)保溫板工況作為對(duì)比工況。利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同工況下的基土溫度進(jìn)行模擬計(jì)算，并在計(jì)算結(jié)果中提取出表層溫度的最低值，結(jié)果如表3 所示。由計(jì)算結(jié)果可知，設(shè)置聚苯板工況下的基土表層最低溫度在-7.53～1.77 ℃之間，與沒(méi)有設(shè)置聚苯板的模型相比，保溫效果明顯提升，提升幅度在27.60%～82.98%之間。由此可見(jiàn)，設(shè)置聚苯板可以起到顯著的保溫效果。此外，由計(jì)算結(jié)果可知，要使保溫效果提升50%，聚苯板的厚度應(yīng)在6 cm 以上。

表3 基土凍土表層的最低溫度值計(jì)算結(jié)果

3.2 防凍脹效果

利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同聚苯板厚度下的渠道凍脹量進(jìn)行模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制出如圖3 所示的不同模型最大凍脹量變化曲線。由圖3 可知，模型一和無(wú)聚苯板對(duì)比，模型的計(jì)算結(jié)果較大且比較接近，說(shuō)明聚苯板的厚度較小時(shí)難以取得顯著的防凍脹效果。其余模型的凍脹量與對(duì)比模型比均有顯著的減小，說(shuō)明設(shè)置一定厚度的聚苯板對(duì)防止渠道的凍脹破壞具有十分顯著的作用。相比而言，厚度為6 cm 的聚苯板防凍脹效果最佳，其最大凍脹量在2 cm 以內(nèi)。從計(jì)算結(jié)果可知，建議在工程施工中采用6～8 cm 厚度的聚苯板，不僅可消減近90%的凍脹量，同時(shí)還可以控制工程成本。

圖3 渠道陰坡渠道基土凍脹量變化過(guò)程曲線

4 結(jié)論

此次研究以遼寧省燈塔灌區(qū)節(jié)水改造工程實(shí)施后的2 號(hào)支渠為例，利用數(shù)值模擬計(jì)算的方法，研究了聚苯板厚度對(duì)渠道防凍脹效果的影響，并獲得如下主要結(jié)論：

1）在渠道襯砌下方鋪設(shè)聚苯板，可以起到顯著的保溫作用，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，保溫效果可以提升27.89%～83.87%；此外，聚苯板厚度在6 cm 以上時(shí)，可以將保溫效果提升50%以上。

2）從防凍脹效果來(lái)看，聚苯板厚度在4 cm 以下時(shí)的效果并不理想，特別是小于2 cm 時(shí)難以起到明顯的防凍脹作用；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，建議在工程設(shè)計(jì)中采用6～8 cm 的聚苯板，以兼顧防凍脹效果和經(jīng)濟(jì)性。