張軍鵬

（巴音郭楞蒙古自治州水利水電勘測設(shè)計有限責(zé)任公司，新疆 庫爾勒 841000）

1 新型防滲襯砌結(jié)構(gòu)性能

復(fù)合土工膜具備水平向?qū)?、豎直向防滲的作用，與渠基土、過渡層之間的摩擦系數(shù)以及抗凍脹性能均比單膜高，有助于渠體穩(wěn)定。與此同時，納米SiO2微?？梢栽谝韵路矫嫣嵘勖夯一炷翉姸龋浩湟唬{米SiO2能快速與早期所形成的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)并生成細(xì)化晶體粒，預(yù)防硫酸鹽侵蝕，提升水泥漿液和粗細(xì)集料界面強度；其二，早期所釋放出的水化熱可推動水泥等成分的水化過程，提升材料早期強度；其三，納米SiO2還能加速水泥水化進程及石膏化學(xué)反應(yīng)進程，進而生成微粒狀態(tài)含水硫酸鹽的鈣晶體，在晶體持續(xù)膨脹的情況下可增強混凝土密實度。此外，這種改性劑還能顯著提升粉煤灰混凝土材料的早期抗壓強度和抗折強度，增強結(jié)構(gòu)密實性、抗凍耐久性、抗?jié)B透性。

2 渠道概況

某大型灌區(qū)年降水量均值為382.70 mm，而多年平均蒸發(fā)量達(dá)到1 817 mm，年平均氣溫5.80℃，極端最低溫度-31℃，最大凍深1.90 m?，F(xiàn)澆混凝土襯砌塊體積較大，厚度薄、接縫及滲水少，這種襯砌結(jié)構(gòu)對渠床所發(fā)生的不均勻凍脹較為敏感，且受其影響后容易出現(xiàn)隆起及不規(guī)則的橫縱向裂縫；東西向渠道陰坡裂縫數(shù)量明顯比陽坡裂縫數(shù)量多，且陰坡裂縫最長達(dá)到5～10 cm，但寬度不大；因裂縫而裂開的板體間存在錯位。

3 防滲渠道抗凍脹模擬

3.1 有限元模型

針對所提出的地處中國西北旱寒地區(qū)的某灌溉工程，其渠道底板設(shè)計長度為200 cm，陰坡豎向高度和陽坡豎向高度均為250 cm，陰坡和陽坡坡比均為1∶1.50，坡板設(shè)計厚度10 cm。為進行分析比較，共提出兩種工況：工況1 為梯形渠道常規(guī)混凝土襯砌，工況2為“納米高性能混凝土+復(fù)合土工膜”襯砌結(jié)構(gòu)，并進行兩種工況渠道襯砌結(jié)構(gòu)抗?jié)B穩(wěn)定性及抗凍脹穩(wěn)定性模擬。兩種工況下渠道襯砌結(jié)構(gòu)厚度均為10 cm，渠道基礎(chǔ)尺寸為自底板向下250 cm，具體見圖1，在溫度場分析時，以原型襯砌結(jié)構(gòu)外部月材料溫度最大值為各部位試驗邊界溫度，設(shè)計凍深處試驗溫度取0 ℃，下邊界試驗溫度取10 ℃。在進行應(yīng)力場和位移場的計算過程中，必須將襯砌結(jié)構(gòu)和凍土作為整體結(jié)構(gòu)展開模擬。X向、Y向位移值均按照零處理，Z向上則在渠道底基土下邊界處增加約束。

圖1 梯形渠道有限元模型圖

結(jié)合熱傳導(dǎo)方程，該旱寒地區(qū)灌溉渠道導(dǎo)熱系數(shù)λ是影響溫度場計算的唯一參數(shù)，結(jié)合規(guī)范，所研究的渠道在土壤轉(zhuǎn)化為凍結(jié)狀態(tài)后對應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)取值變?yōu)?.987 0 W/（m·℃）。但是在進行熱力耦合分析的過程中，熱膨脹系數(shù)應(yīng)按照凍土凍脹系數(shù)的負(fù)值加以確定，凍脹土和薄膜間及凍脹土與混凝土間的摩擦系數(shù)分別取0.60和0.40，其他與渠道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)的材料物理力學(xué)參數(shù)取值具體見表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)表

3.2 模擬結(jié)果及分析

3.2.1 溫度場

結(jié)合模擬過程所得出的溫度場實際分布，從渠坡支渠底開始，襯砌材料溫度變化速度明顯加快，而在距離渠坡比較遠(yuǎn)的渠堤以下，襯砌材料溫度的分布幾乎變?yōu)槠叫兄本€，受渠坡溫度變化的影響可以忽略不計。為展開比較分析，在灌溉渠道襯砌板上隨機選擇9個測點，進行渠道變位模擬結(jié)果和實測結(jié)果的對比，具體見圖2。由圖可知，當(dāng)彈性模量減小、熱膨脹系數(shù)增大時，納米混凝土襯砌+復(fù)合土工膜防滲結(jié)構(gòu)凍脹變形隨之增大，但凍脹應(yīng)力呈下降趨勢。由于地下水埋深較淺，渠坡底部自由凍脹量明顯增大，并且凍脹變形主要表現(xiàn)出無規(guī)律的分布態(tài)勢。工況1和工況2的渠道凍脹分布情況模擬結(jié)果也均與工程實際較為吻合。渠坡板和渠堤頂部因同處于凍結(jié)狀態(tài)而表現(xiàn)為一致的凍脹變形規(guī)律，渠道上下部分別受凍結(jié)力和底板的約束。

圖2 渠道變位模擬結(jié)果和實測結(jié)果的對比圖

3.2.2 襯砌板下凍脹力

通過對工況1和工況2襯砌板下法向凍脹力分布以及可能變動趨勢情況的比較分析，無論是陰坡坡面還是陽坡坡面，襯砌材料的法向凍脹力均表現(xiàn)出由上往下持續(xù)增大的趨勢，直到渠道底部后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且這種增大趨勢陽坡比陰坡更為明顯。在使用納米高性能混凝土襯砌材料后，襯砌結(jié)構(gòu)所明顯存在的法向凍脹力變形得到充分釋放和緩解，受力狀態(tài)也因此而顯著改善，法向凍脹力降幅最大可達(dá)39%。

通過分析工況1和工況2該西北旱寒地區(qū)灌溉渠道襯砌板結(jié)構(gòu)切向凍脹力實際的分布情況不難發(fā)現(xiàn)，“納米高性能混凝土+復(fù)合土工膜”防滲襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工程實際后渠道原來抗?jié)B及抗凍脹變形得到有效釋放。陰坡和陽坡最大切向凍脹力降幅分別達(dá)到44%和39%。

3.2.3 襯砌板上拉應(yīng)力及拉應(yīng)變

一般情況下，渠道襯砌板結(jié)構(gòu)所具有的抗凍脹性能不同時，則襯砌結(jié)構(gòu)表面所對應(yīng)的拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)力、結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)變與極限拉應(yīng)變等取值的差異會較大，對灌溉渠道襯砌結(jié)構(gòu)的抗凍性、抗?jié)B性能也相應(yīng)具有不同影響，為此，必須結(jié)合實際工況，通過分析襯砌結(jié)構(gòu)真實準(zhǔn)確的極限拉應(yīng)力、極限拉應(yīng)變理論值與實際值之間可能存在的差距，在預(yù)留充分的安全儲備的基礎(chǔ)上展開設(shè)計和施工參數(shù)擬定。文中所進行的材料性能模擬試驗也表明，納米高性能混凝土、復(fù)合土工膜防滲襯砌結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變安全儲備系數(shù)分別取3和6，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出常規(guī)混凝土襯砌材料取值為1的安全儲備，可見，本渠道工程所采用的復(fù)合防滲襯砌結(jié)構(gòu)具有較為優(yōu)異的防滲抗凍脹性能。

4 結(jié)論

通過有限元軟件分析旱寒地區(qū)灌溉渠道不同防滲抗凍脹結(jié)構(gòu)的性能，得出混凝土襯砌渠道凍脹變形受力規(guī)律，納米高性能混凝土與復(fù)合土工膜襯砌材料的抗變形、抗?jié)B等力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)混凝土；總之，納米高性能混凝土和復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)襯砌材料的組合能構(gòu)建起防滲、抗凍脹一體渠道復(fù)合防滲結(jié)構(gòu)形式，可在我國西北干旱寒冷地區(qū)水工渠道襯砌施工過程中推廣使用。