郭 婧，周 峰

（1.舟山普陀山公用事業(yè)管理中心，浙江 舟山 316000；2.浙江舟山群島新區(qū)普陀山-朱家尖管理委員會(huì)，浙江 舟山 316000；3.浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012）

在我國(guó)北方地區(qū)，水利工程中的渠系構(gòu)筑物和渠道襯砌受土基凍脹作用影響最大，破壞也最為嚴(yán)重。因此，凍脹問(wèn)題是渠道設(shè)計(jì)中不得不考慮的問(wèn)題之一。下面利用ANSYS軟件對(duì)常見(jiàn)的幾種明渠斷面形式，在相同過(guò)水流量條件下，進(jìn)行關(guān)于凍脹方面的數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，經(jīng)分析得出抗凍脹能力最佳的斷面形式，進(jìn)而為北方地區(qū)的渠道防凍脹設(shè)計(jì)提供一定的參考與借鑒。

1 凍脹數(shù)值模擬計(jì)算

1.1 參數(shù)選取

參考文獻(xiàn)［1］選擇北方農(nóng)田水利中較為常用的5種不同的斷面形式，見(jiàn)圖1。本文設(shè)定在過(guò)水流量均為2 m3/s的情況下，對(duì)渠道斷面尺寸的各水力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。參考DB64/T 811-2012《寧夏回族自治區(qū)地方標(biāo)準(zhǔn)灌溉渠道襯砌工程技術(shù)規(guī)范》，模型中混凝土板糙率均選n=0.015，渠道襯砌超高值選為0.2 m，砌筑方式采用邊坡自上到下依次為60 mm厚C15混凝土預(yù)制板、30 mm厚M5的水泥砂漿墊層。

表1 不同斷面水渠的水力計(jì)算表

圖1 不同斷面渠簡(jiǎn)圖（單位：mm）

參考文獻(xiàn)［2—5］及JGJ 118-2011《凍土地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，取渠床土基凍結(jié)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)λ=1.837 W/（m·℃），凍脹率η=10%，線(xiàn)膨脹系數(shù)α取為-η/t，其中t為土基溫度，土基縱橫向間的差異暫不考慮。渠道襯砌材料參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 渠道襯砌材料參數(shù)

1.2 有限元模型

本文利用ANSYS軟件中的熱應(yīng)力分析模塊，以地面線(xiàn)為模型上邊界線(xiàn)，從渠道中心線(xiàn)向左右各取30.0 m為模型兩側(cè)邊界線(xiàn)；從模型上邊界線(xiàn)向下取6.0 m深作為模型下邊界線(xiàn)，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)建立5種不同斷面形式的模型，同時(shí)建立60.0 m×6.0 m的矩形作為對(duì)比模型。

1.3 溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)邊界條件

假設(shè)渠道為東西走向，參考文獻(xiàn)［2，3］，在不開(kāi)挖地基的對(duì)比模型的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)試算，取地表溫度為-12℃，渠道陰、陽(yáng)、底坡的溫度在此溫度的基礎(chǔ)上乘以各自的凍深修正系數(shù)φd（1.1，0.8，1.01），即-13.2，-9.6和-12.12℃，模型下邊界溫度取為6℃。左右邊界近似認(rèn)為絕熱。

模型左右豎直段受水平X向約束( )UX=0，下邊界受X和Y雙向約束( )UX=0，Uy=0，模型上邊界不受約束。

2 ANSYS模擬結(jié)果

經(jīng)求解計(jì)算，位移場(chǎng)分布圖如圖2所示，圖中a為渠道混凝土預(yù)制板原所在位置處，b為凍脹后的實(shí)際位置處，對(duì)稱(chēng)軸以左方向?yàn)榍狸幤虏糠?，以右為?yáng)坡部分。

圖2（a）中，相較于原渠道開(kāi)挖斷面，凍脹后的渠道以渠底中部4號(hào)點(diǎn)位置處分別向兩端凍脹量逐步增大，到2號(hào)點(diǎn)達(dá)到陰坡段的最大凍脹量0.732 m，到6號(hào)點(diǎn)達(dá)到陽(yáng)坡段的最大凍脹量0.667 m。

圖2（b）中，凍脹后渠道渠底弧線(xiàn)部分凍脹量均在0.351 m左右，沿陰、陽(yáng)兩坡向上凍脹量均有增大趨勢(shì)，其中，陰坡3號(hào)點(diǎn)處凍脹量為0.379 m，2號(hào)處為0.628 m；陽(yáng)坡4號(hào)處為0.358 m，5號(hào)處為0.548 m。

圖2 不同斷面渠道位移場(chǎng)分布圖（單位：m）

圖2（c）中，3和4號(hào)點(diǎn)凍脹量分別為0.319和0.305 m，陰、陽(yáng)兩段從下到上，其凍脹量逐漸增大，頂點(diǎn)2和5號(hào)點(diǎn)達(dá)到最大，其值分別為0.740和0.627 m。渠底靠近陰坡坡腳3號(hào)點(diǎn)距離約1/3位置處（即77號(hào)點(diǎn)）為該水平坡底段最大凍脹量0.331 m。

圖2（d）中，陽(yáng)坡坡腳4號(hào)點(diǎn)處是整個(gè)渠道凍脹量最小處，從4號(hào)點(diǎn)位置處沿4（0.380 m）—3（0.403 m）—2（0.616 m）路徑及4（0.380 m）—5（0.546 m）—6（0.547 m）路徑凍脹量都逐漸增大。

圖2（e）中，凍脹趨勢(shì)基本與圖2（d）類(lèi)似，陽(yáng)坡弧底坡腳5號(hào)點(diǎn)（0.358 m）是渠道整體凍脹最小處，從5號(hào)點(diǎn)出發(fā)，分別沿5（0.358 m）—4（0.361 m）—3（0.387 m）—2（0.628 m）路徑和5（0.358 m）—6（0.364 m）—7（0.548 m）路徑方向，各點(diǎn)的凍脹量趨勢(shì)均逐漸增大。

不同斷面形式渠道各部位最大凍脹量結(jié)果見(jiàn)表3。

3 結(jié)果分析

分析表1和表3中數(shù)據(jù)得知，5種不同斷面形式的渠道，在過(guò)水流量均相同的情況下，開(kāi)挖深度U形斷面最大，梯形斷面最?。婚_(kāi)挖面積弧底梯形斷面最大，梯形斷面最??；各個(gè)圖形凍脹量最大點(diǎn)均為陰坡段與地面水平段的交點(diǎn)處。5種不同斷面形式渠道中，弧底梯形斷面和弧底坡腳梯形斷面渠道各段的凍脹量均較另3種斷面形式的渠道的小，但考慮到開(kāi)挖工程量，弧底坡腳梯形斷面渠道更優(yōu)。

表3 渠道各部位最大凍脹量 mm

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)有限元數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果對(duì)比，可知斷面形式的選擇的確會(huì)對(duì)渠道凍脹量的大小造成一定程度的影響。選擇合適的斷面，也是渠道抵御凍脹破壞的一條防護(hù)措施。在常見(jiàn)的幾種渠道開(kāi)挖斷面形式下，當(dāng)過(guò)水流量限定、開(kāi)挖量無(wú)限制的情況下，弧底坡腳梯形斷面渠道的抗凍性能最好，這也為今后的設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。