李一峰

(中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007)

0 引言

輸水渠道作為水工建筑中重要引、調(diào)水載體，其運(yùn)營參數(shù)設(shè)計(jì)，關(guān)乎著渠道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，也同樣影響著襯砌結(jié)構(gòu)安全[1-2]，特別在凍土地區(qū)襯砌結(jié)構(gòu)的抗凍脹能力。因而，研究渠道運(yùn)營參數(shù)變化下，襯砌結(jié)構(gòu)凍脹特征影響變化，對(duì)優(yōu)化渠道運(yùn)營及襯砌設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。肖旻等[3]、劉裕[4]為研究渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹特性，基于弧形、體型渠道的體型特征，設(shè)計(jì)開展了凍脹試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果中分析渠道襯砌結(jié)構(gòu)切、法向凍脹剪力、凍脹位移等，提出優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考量建議。何鵬飛等[5]、龔嘉瑋等[6]引入彈性梁、Winkler模型等凍脹理論，基于實(shí)際渠道面襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)襯砌板進(jìn)行理論計(jì)算，探討襯砌板的凍脹量、凍脹應(yīng)力變化，分析不均勻凍脹產(chǎn)生根源，有助于實(shí)際襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考。孫黎強(qiáng)[7]、高丹[8]、李克[9]為研究渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹特性影響因素，從襯砌厚度、渠道斷面尺寸特征、渠基土以及地下水位等方面入手，從凍脹仿真計(jì)算過程評(píng)價(jià)襯砌結(jié)構(gòu)可靠性，為渠道設(shè)計(jì)及襯砌影響變化探究提供了依據(jù)。本文為研究西納川水庫輸水干渠襯砌結(jié)構(gòu)凍脹特性，采用ABAQUS進(jìn)行了渠道建模及仿真計(jì)算，對(duì)比了渠水位、入渠流量兩因素下凍脹量、凍脹應(yīng)力的影響變化，為渠道運(yùn)營優(yōu)化提供計(jì)算支撐。

1 研究方法

1.1 工程概況

西納川水庫距離西寧市中心約為50km，承擔(dān)著西寧地區(qū)防洪、灌溉、引調(diào)水作用，對(duì)調(diào)節(jié)西寧地區(qū)水資源供應(yīng)、分布等具有重要價(jià)值，控制西納川水庫，將極大解決西寧水資源供需矛盾。根據(jù)設(shè)計(jì)資料得知，西納川水庫設(shè)計(jì)峰值庫容量可達(dá)1134萬m3，設(shè)計(jì)峰值壩高為57m，在壩體軸向方向，延伸距離為465m，在西納川水庫投入運(yùn)營后，西寧上游來水干流河道受控面積超過1500km2，在夏季汛期，該水庫泄洪流量超過3500萬m3，不僅保障了西寧下游城防安全，同時(shí)也有效蓄水調(diào)節(jié)了農(nóng)業(yè)缺水問題。如圖1所示為西納川水庫樞紐工程平面布置示意，作為地區(qū)大型水利樞紐設(shè)施，其建設(shè)工程包括了溢洪道、主壩、導(dǎo)流洞以及擴(kuò)展蔓延至西寧下游100km的輸水干渠，從而能夠使西納川水庫具有重要水利價(jià)值。從水庫安全建設(shè)考慮，一期工程采用圍堰導(dǎo)流施工方式，最大導(dǎo)流量為450m3/s，在主壩、溢洪道等水工建筑施工過程中，對(duì)堰坡、防滲墻以及止水面板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)表明，施工范圍內(nèi)不存在活躍滲流，防滲墻底部水頭線繞流、水頭值降低明顯。在此基礎(chǔ)上，西納川水庫計(jì)劃在二期工程中著力擴(kuò)展輸水干渠建設(shè)，使之成為西寧地區(qū)最大農(nóng)業(yè)以及生活供水來源，解決西寧工、農(nóng)業(yè)用水矛盾。在輸水干渠建設(shè)的同時(shí)，也對(duì)西寧北農(nóng)業(yè)灌渠各干、支渠進(jìn)行整治清淤，并接入西納川水庫主渠，確保灌區(qū)水位、流量得到中轉(zhuǎn)與調(diào)節(jié)控制。在上游主壩、溢洪道泄洪工況下，擋水閘門全開泄洪，進(jìn)入輸水干渠的流量不超過150m3/s，監(jiān)測渠道重點(diǎn)斷面的水力參數(shù)表現(xiàn)較優(yōu)，但對(duì)于渠道襯砌結(jié)構(gòu)的抗凍脹能力還有待研究，特別是在入渠流量、渠內(nèi)運(yùn)行水位等變化時(shí)，不可忽視渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹研究。

圖1 西納川水庫樞紐工程平面布置

1.2 凍脹模型

結(jié)合西納川水庫輸水干渠運(yùn)營特征，其襯砌結(jié)構(gòu)凍脹特性與渠內(nèi)水位密切相關(guān)，故需討論襯砌結(jié)構(gòu)在水-熱-力耦合條件下結(jié)構(gòu)凍脹變化。為此，引入熱力耦合方程，如下式[10]：

(1)

式中，λx、λy—水平向、豎向?qū)嵯禂?shù)；T—溫度；x、y—凍脹面的水平、豎向。

基于結(jié)構(gòu)靜力平衡體系，列出下式：

(2)

式中，L滿足下式。

(3)

(4)

式中，μ、E—襯砌材料物理特征參數(shù)，前者為泊松比，后者為模量；εx、εy、γxy—X、Y向正應(yīng)變以及剪應(yīng)變；σx、σy、τxy—X、Y向正應(yīng)力以及剪應(yīng)力；α為方熱傳導(dǎo)系數(shù)；Δt指溫度梯度。

基于熱力耦合凍脹模型方程，采用Abaqus仿真平臺(tái)建立起干渠斷面模型[11]，如圖2所示為建立的1側(cè)渠道模型，由于渠道襯砌結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性特點(diǎn)，故本文研究也只針對(duì)于1/2渠底板、1側(cè)坡板以及1側(cè)渠頂板展開計(jì)算對(duì)比分析。圖2中渠道模型來自于西納川水庫北側(cè)輸水干渠與西寧北灌區(qū)聯(lián)通區(qū)，樁號(hào)為K8+235，該渠道不僅在北干渠，且在南干渠乃至西寧北全灌區(qū)內(nèi)，其剖面特征均有代表性，該渠道邊坡系數(shù)為1.8，設(shè)計(jì)渠深為4m，采用模袋混凝土襯砌與卵礫石護(hù)底[12]，入渠流量安全允許值為180m3/s，坡腳半徑為3.6m，渠頂寬度為4m，渠頂至渠底高度為3.5m，設(shè)計(jì)允許水位為3.2m，渠坡板展開長度為3.8m，渠底寬度為1.6m，渠底地下水位為2.8m，渠基土為砂質(zhì)壤土，含水率約為14.5%～17%，滲透系數(shù)為3.6×10-5cm/s。渠道襯砌結(jié)構(gòu)厚度為15cm，糙率為0.03，水力坡降為0.0005，研究模型中一側(cè)設(shè)定為水熱絕緣，采用四邊形網(wǎng)格單元對(duì)計(jì)算模型劃分，實(shí)際共獲得網(wǎng)格單元36828個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)38264個(gè)，襯砌板區(qū)域精度、網(wǎng)格密度滿足計(jì)算要求。

圖2 渠道模型

考慮輸水干渠運(yùn)行期，入渠流量、渠水位等運(yùn)營參數(shù)均會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍脹影響，故本文在計(jì)算模型中分別設(shè)定了入渠流量與渠水位2組仿真。入渠流量的設(shè)定考慮了渠道限值，分別設(shè)定為30、60、90、120、150、180m3/s共7組；渠水位影響組設(shè)定有0.8、1.2、1.6、2、2.4、2.8、3.2m，研究模型仿真過程中僅考慮單一變量因素影響。計(jì)算工況中，外界溫度取值為西寧地區(qū)11—次年3月的平均氣溫；渠內(nèi)地下水位滲流場視為平靜無流動(dòng)邊界條件，而模型頂、底部分別為雙約束、零自由度邊界；荷載體系包括了結(jié)構(gòu)自重、土層應(yīng)力等，物理力學(xué)參數(shù)均來自室內(nèi)實(shí)測，如土體密度為1.45g/cm3?；谌肭髁?、渠水位兩組仿真計(jì)算對(duì)比，探討西納川水庫下游典型干渠襯砌結(jié)構(gòu)凍脹影響變化。

2 渠水位對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)凍脹特性影響

2.1 凍脹量

基于不同渠水位工況下襯砌結(jié)構(gòu)凍脹仿真計(jì)算，獲得了襯砌頂、坡及1/2底板展開斷面上的凍脹量變化特征，如圖3所示。根據(jù)圖3中凍脹量變化可知，渠水位不同，但襯砌板斷面上凍脹量變化趨勢具有相似性，均呈“先減后增再減”變化，但峰、谷凍脹量所在斷面有所差異。在渠水位0.8m時(shí)，峰、谷值斷面分別位于5.4、8.5m，而渠水位1.2、2、3.2m時(shí)相應(yīng)峰值斷面分別位于6.2、6.9、8.3m，從峰值凍脹量所在位置來看，整體上均在渠坡板、頂板處，特別是渠水位愈大，則峰值凍脹量愈靠近頂板，即渠水位變化，會(huì)影響襯砌板凍脹危險(xiǎn)區(qū)域的分布變化。具體分析凍脹量增、減變化段，在襯砌底板處，不論渠水位為何值，凍脹量總體均為遞減，而襯砌坡板、頂板處均為遞增、遞減或稍降態(tài)勢[13]。由此可知，渠水位的變化，不會(huì)改變整體上凍脹強(qiáng)、弱區(qū)，仍然可考慮重點(diǎn)設(shè)置襯砌坡、頂板的抗凍脹措施。

圖3 襯砌板凍脹量與渠水位變化關(guān)系

從凍脹量水平考慮，渠水位愈大，則凍脹量愈高，此特點(diǎn)從渠水位0.8～3.2m持續(xù)如此。當(dāng)渠水位為0.8m時(shí)，峰、谷值凍脹量分別為1.73、0.6cm，而在峰值凍脹量的對(duì)比中，渠水位1.2、2、2.8m下峰值凍脹量較之前者分別提高了0.35、1.15、2.1倍，總體上看渠水位梯次變化0.4m，則峰值凍脹量平均可提高23.7%，而在渠水位0.8～3.2m中，谷值凍脹量分布為0.6～5.1cm，在渠水位梯次變化中，谷值凍脹量的平均變幅為48.4%。對(duì)比之下可知，渠水位梯次遞增，峰值凍脹量受影響敏感度高于谷值凍脹量，即襯砌底板處凍脹水平影響變化弱于襯砌頂板，控制渠水位，將有助于限制襯砌頂板處凍脹水平。

2.2 凍脹應(yīng)力

同理，從凍脹仿真計(jì)算中也可獲得襯砌板的凍脹應(yīng)力變化，如圖4所示。從圖4中凍脹應(yīng)力特征可看出，在不同渠水位下，由于熱水力耦合場影響，凍脹應(yīng)力在斷面上的變化特征點(diǎn)、變化趨勢均有一定差異，如渠水位0.8m下斷面2～4m內(nèi)，凍脹應(yīng)力為0.92～1.8MPa，為遞增，斷面間凍脹應(yīng)力平均增幅為12.4%，而在渠水位2.4、3.2m處，該斷面2～4m內(nèi)，凍脹應(yīng)力平均增幅為14.8%、17.5%。綜合分析來看，渠水位不同，在襯砌頂、坡及底板處，凍脹應(yīng)力的變化幅度各有差異，總體上當(dāng)渠水位不超過2.4m時(shí)，凍脹應(yīng)力呈“緩增-陡增-遞減”態(tài)勢，而渠水位為2.4～3.2m時(shí)，凍脹應(yīng)力在襯砌底、頂及坡板處的變幅均高于前一渠水位階段，且在襯砌頂板處凍脹應(yīng)力為平衡穩(wěn)定。分析可知，渠水位對(duì)襯砌板凍脹應(yīng)力影響在于變化幅度，而渠水位過高，襯砌頂板處凍脹應(yīng)力處于穩(wěn)定的較高水平，頂板的凍脹危害不可忽視，尤以高渠水位工況為顯著。

圖4 襯砌板凍脹應(yīng)力與渠水位變化關(guān)系

對(duì)比凍脹應(yīng)力水平也可看出，渠水位與之具有正相關(guān)變化特征，特別是在渠水位2.4m后，凍脹應(yīng)力受渠水位影響變化更明顯。以峰值凍脹應(yīng)力為宏觀對(duì)比參數(shù)，在渠水位0.8、1.2m時(shí)，峰值凍脹應(yīng)力分別為2.4、2.83MPa，渠水位為0.8～2m時(shí)，隨水位遞增，峰值凍脹應(yīng)力平均提高了0.56MPa，增幅為19.3%，而在渠水位2.4～3.2m時(shí)，相應(yīng)的峰值凍脹應(yīng)力分布為5.34～9.26MPa，在各渠水位方案中，凍脹應(yīng)力平均增長為172.2%，而總體上渠水位0.8～3.2m時(shí)，峰值凍脹應(yīng)力平均增幅為114.1%。由此可看出，過高的渠水位，凍脹應(yīng)力的變化會(huì)朝著不可控方向發(fā)展，使襯砌板上凍脹應(yīng)力具有更大的威脅。

3 入渠流量對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)凍脹特性影響

3.1 凍脹量

基于不同入渠流量工況下襯砌結(jié)構(gòu)凍脹仿真計(jì)算，獲得了凍脹量與入渠流量關(guān)系，如圖5所示。觀察圖5可看出，入渠流量變化，斷面上凍脹量變化趨勢幾乎保持一致，峰、谷凍脹量均保持同一斷面，分別位于斷面7、1.8m處?？傮w上看，不論入渠流量為何值，整體上凍脹量均為“遞減-遞增-穩(wěn)定”變化，分別對(duì)應(yīng)了襯砌底板、坡板及頂板處凍脹量變化特征。在凍脹量水平對(duì)比中，入渠流量愈高，則凍脹量愈大，入渠流量為30m3/s時(shí)，峰、谷值凍脹量分別為2.72、0.95cm，而入渠流量為90、150m3/s時(shí)，相應(yīng)峰值凍脹量分別為4.82、8.64cm，谷值凍脹量又分別為1.68、3.01cm，相比之下，每一梯次入渠流量變化，引起的凍脹量變化較為接近，當(dāng)梯次流量變化30m3/s時(shí)，峰值凍脹量平均增幅為33.6%，在入渠流量30～60m3/s、90～120m3/s、150～180m3/s時(shí)，凍脹量變化依次為33.5%、34.1%、33.9%，基本與平均增幅接近。從入渠流量對(duì)凍脹量影響可知，只要在入渠流量安全允許值內(nèi)，襯砌板凍脹量的增長較穩(wěn)定[14]，故在渠道運(yùn)行期，保證入渠流量合理即可，襯砌板的凍脹變化均處于可控狀態(tài)。

圖5 襯砌板法向凍脹量與入渠流量變化關(guān)系

3.2 凍脹應(yīng)力

如圖6所示，為不同斷面上襯砌板的凍脹應(yīng)力變化。由圖6可看出，與凍脹量類似，各入渠流量工況內(nèi)，凍脹應(yīng)力在襯砌板斷面上具有相似性變化特征，襯砌底板上凍脹應(yīng)力水平最低，而襯砌坡板上凍脹應(yīng)力最高，在展開斷面上，凍脹應(yīng)力呈“緩增-陡增-遞減變化”，在凍脹應(yīng)力陡增段，入渠流量30～180m3/s下，襯砌坡板斷面上凍脹應(yīng)力平均值可達(dá)1.54～4.3MPa，峰值凍脹量位于斷面5m，分布于2.52～7.02MPa。從入渠流量與凍脹應(yīng)力的變化趨勢來看，入渠流量不會(huì)改變襯砌板上凍脹應(yīng)力分布區(qū)，襯砌坡、頂板上凍脹應(yīng)力分布區(qū)乃是最高。在凍脹應(yīng)力對(duì)比中，入渠流量愈高，則凍脹應(yīng)力水平愈大，以襯砌底板處凍脹應(yīng)力為分析對(duì)象，入渠流量30m3/s下底板平均凍脹應(yīng)力為0.82MPa，而入渠流量為90、150m3/s時(shí)，相應(yīng)平均凍脹應(yīng)力分別達(dá)1.24、1.87MPa，在入渠流量梯次變化中，底板平均凍脹應(yīng)力的增幅為22.7%，在入渠流量30～180m3/s中，底板平均凍脹應(yīng)力分布于0.82～2.29MPa，各流量方案間增幅、增量均較穩(wěn)定。由此表明，在入渠流量變化中，襯砌板凍脹應(yīng)力、凍脹量僅有量值水平的變化，且變幅較穩(wěn)定，此可作為入渠流量運(yùn)營期凍脹水平預(yù)估參考。

圖6 襯砌板凍脹應(yīng)力與入渠流量變化關(guān)系

4 結(jié)論

(1)各渠水位工況中，襯砌板凍脹量均呈“先減后增再減”變化，但峰、谷凍脹量所在斷面各有差異；渠水位愈大，則凍脹量愈高，特別是峰值凍脹量受之影響高于谷值凍脹量。

(2)渠水位不同，襯砌板斷面上凍脹應(yīng)力變幅各有區(qū)別，以襯砌頂板凍脹危害較顯著；渠水位增大，凍脹應(yīng)力提高，尤以渠水位2.4～3.2m下凍脹應(yīng)力增幅最大。

(3)入渠流量增長，凍脹量、凍脹應(yīng)力分別穩(wěn)定呈為“遞減-遞增-穩(wěn)定”、“緩增-陡增-遞減”變化，隨入渠流量的增長過程較穩(wěn)定。

(4)渠水位對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)凍脹危害在于頂、坡板，而入渠流量對(duì)凍脹影響具有可控性。