魏 為,鄢凱軍

(長(zhǎng)江水利委員會(huì) 河湖保護(hù)與建設(shè)運(yùn)行安全中心,武漢 430010)

0 引 言

南水北調(diào)工程是我國(guó)重要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目,其京石段水工混凝土防凍脹破壞是南水北調(diào)工程的重要問(wèn)題之一[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,水資源的短缺日益凸顯,南水北調(diào)工程的建設(shè)對(duì)于緩解水資源短缺和保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義[2]。

水工混凝土防凍脹破壞問(wèn)題是南水北調(diào)工程建設(shè)過(guò)程中必須解決的難題之一[3]。水工混凝土凍脹破壞主要表現(xiàn)為混凝土表面裂縫、斷裂和塌陷等現(xiàn)象[4]。裂縫和斷裂是由于混凝土材料的抗凍性能差,低溫下易受破壞,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)變形、開裂,影響水工混凝土的正常使用[5]。塌陷是由于低溫下水分蒸發(fā),體積膨脹而導(dǎo)致的混凝土塌陷。目前,對(duì)于水工混凝土防凍脹破壞問(wèn)題的研究主要集中在材料和施工工藝方面[6]。由于水工混凝土結(jié)構(gòu)特殊的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn),保溫材料在水工混凝土防凍脹破壞中具有重要作用。保溫材料可以有效減少外界溫度對(duì)混凝土內(nèi)部水分的影響,防止水分蒸發(fā)和體積膨脹導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形和開裂等現(xiàn)象[7]。因此,保溫材料在南水北調(diào)工程京石段水工混凝土防凍脹破壞中具有重要作用。

本文旨在研究保溫材料在南水北調(diào)工程京石段水工混凝土防凍脹破壞中的應(yīng)用,研究成果可為解決南水北調(diào)工程京石段水工混凝土防凍脹破壞問(wèn)題提供理論支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 保溫材料在京石段水工混凝土防凍脹破壞中的應(yīng)用研究

1.1 南水北調(diào)工程京石段工程概況

南水北調(diào)中線工程起點(diǎn)為河南省淅川縣,經(jīng)過(guò)北京、天津、河北、河南兩省兩市,穿越海河、黃河、淮河、長(zhǎng)江,全長(zhǎng)共1 432km。從淅川縣陶岔南陽(yáng)渠首至北拒馬河中支流,路線全長(zhǎng)1 197km,河道長(zhǎng)度1 103km,建筑長(zhǎng)度94公km[8]。其中,各種水利建筑共2 200余座,包括61個(gè)控制閘、97個(gè)分水口門、54個(gè)退水閘以及64個(gè)節(jié)制閘。南水北調(diào)京石段工程是南水北調(diào)工程中最主要的一條,它從河北、河南兩省交界處開始,沿著京廣鐵路向北,經(jīng)過(guò)新華區(qū)和正定、保定市等25個(gè)縣(市、區(qū)),位于北京市北部的拒馬河中支以南。

該工程北京段由北拒馬河中段的南岸開始,經(jīng)過(guò)房山區(qū),穿越永定河,經(jīng)過(guò)豐臺(tái)區(qū),沿著西四環(huán)向北延伸,最終到達(dá)團(tuán)城湖蓄水池。京石段渠長(zhǎng)228.9km,南起古運(yùn)河節(jié)制閘,北止于惠南莊抽水站。在這條線路上,有1座泵站和14道節(jié)制閘,將河道分成14個(gè)渠池。在這14個(gè)渠池中,還設(shè)有8座控制閘、12座退水閘、13座分水閘、11座暗渠隧洞、3座渡槽、17座倒虹吸。

1.2 渠道混凝土動(dòng)脹破壞研究

渠道凍脹破壞指渠基土凍脹和融沉對(duì)混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的破壞,主要有4種形式:剝蝕、凍脹鼓起裂縫、凍脹鼓起臺(tái)階和凍脹鼓起滑坡,破壞規(guī)律多是沿縱向裂縫按折裂→錯(cuò)位→滑坍而破壞[9]。首先,當(dāng)渠基土達(dá)到一定溫度后,凍結(jié)層便會(huì)被破壞,渠基土層被剝蝕,形成裂縫。凍結(jié)層中的冰晶體也會(huì)因溫度的影響而發(fā)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致凍脹鼓起。另外,當(dāng)渠基土層在負(fù)溫度作用下形成凍結(jié)層時(shí),由于毛細(xì)力的作用,渠基土層中的水分會(huì)不斷向凍結(jié)層中的冰晶體遷移與聚集,導(dǎo)致凍脹鼓起。最后,當(dāng)渠基土層被剝蝕時(shí),在剝蝕過(guò)程中形成裂縫;當(dāng)渠基土層被凍脹鼓起時(shí),會(huì)形成臺(tái)階;當(dāng)渠基土層被凍脹鼓起時(shí),會(huì)形成滑坡。

因此,當(dāng)渠基土滿足凍脹條件時(shí),表層的土壤在負(fù)溫作用下首先形成凍結(jié)層,由于毛細(xì)力的作用,渠基土中的水分不斷向凍結(jié)層中的冰晶體遷移與聚集,引起分凝冰層的出現(xiàn),進(jìn)而導(dǎo)致土體凍脹。而不同的凍結(jié)鋒面上形成的冰晶體過(guò)程不同,具體見圖1。渠基土凍脹是多向性的,僅在側(cè)向相互平衡,垂直向沒(méi)有平衡,從而使襯砌結(jié)構(gòu)隆起。

圖1 不同情況下的冰晶體形成

從圖1可以看出,渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹變形是一個(gè)復(fù)雜、非線性過(guò)程,其穩(wěn)定性受到多個(gè)因素的影響,如溫度、濕度、初始含水量等。因此,在分析渠道襯砌結(jié)構(gòu)凍脹變形過(guò)程時(shí),應(yīng)考慮多因素的綜合影響。

首先,要考慮溫度和濕度的影響。研究表明,溫度和濕度對(duì)渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹變形有著重要影響。在較高濕度下,水分含量較高,水分容易在渠道襯砌體表面形成冰核,導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹變形;而在較低溫度下,由于溫度較低,水分也容易在渠道襯砌體表面形成冰核,導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生凍脹變形。其次,要考慮初始含水量的影響,研究表明,初始含水量越大,渠基土體中自由水分層越不均勻,這種不均勻的凍脹量會(huì)引起不均勻的凍脹力。此外,還要考慮渠道襯砌體與渠道內(nèi)邊坡土體之間相互作用的影響。渠基土體凍脹過(guò)程中,由于受到襯砌體的約束,會(huì)施加給襯砌體一種力——凍脹力,這種力隨著凍脹量的增加而增大。由于渠基土體中自由水分層的不均勻分布,導(dǎo)致渠基土的凍脹量也將是不均勻的凍脹量引起不均勻的凍脹力。同時(shí),還要考慮初始含水量對(duì)渠基土體凍脹變形過(guò)程的影響;還要考慮渠基土融化過(guò)程中,水分子滲透和遷移對(duì)渠道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響;也要考慮土體凍結(jié)過(guò)程中,土顆粒垂直位移造成的熱篩效應(yīng)對(duì)土體性質(zhì)變化及強(qiáng)度降低的影響。

1.3 保溫材料在混凝土防凍脹破壞中的應(yīng)用

已有工程實(shí)踐表明,在許多地區(qū)都使用了聚合物絕緣層,以緩解或消除渠基土壤的凍結(jié)深度和凍脹,但國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)研究。目前,關(guān)于襯砌防凍脹的研究已有較多的結(jié)果[10]。對(duì)于保溫措施來(lái)說(shuō),主要是根據(jù)陰陽(yáng)坡負(fù)溫不同而采用不同的保溫板厚度,而沒(méi)有考慮到混凝土襯砌與保溫板接觸熱阻(Thermal Contact Resistance,TCR)的影響,以及保溫板在渠道襯砌中鋪設(shè)的位置對(duì)其保溫效果的影響[11-12]。在保溫措施方面,主要是依據(jù)陰陽(yáng)坡負(fù)溫的差異,選取不同的保溫板厚度。

本次項(xiàng)目的保溫材料選取聚苯乙烯板,在固態(tài)物質(zhì)界面TCR理論的基礎(chǔ)上,開展混凝土襯砌通道接觸面?zhèn)鳠岱抡娣治?。為了更好地利用保溫材?研究提出一種基于聚苯乙烯板的復(fù)合隔熱襯砌結(jié)構(gòu),具體見圖2中的方法3。然后利用有限元,對(duì)常規(guī)鋪設(shè)方法下的苯系物隔熱管道進(jìn)行熱力學(xué)耦合仿真,并對(duì)其抗凍脹性能進(jìn)行分析。

圖2 3種不同的保溫襯砌布置方式

研究以京石段水工混凝土干渠作為原型渠道,采用圖2中的3種襯砌保溫形式進(jìn)行分析計(jì)算,并通過(guò)對(duì)不同保溫襯砌形式下的襯砌板應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比,得出結(jié)論。

在設(shè)計(jì)復(fù)合保溫襯砌時(shí),以京石段水工混凝土干渠作為原型渠道,混凝土襯砌總厚度10cm。采用3種保溫襯砌形式時(shí),方法1與方法2的襯砌渠道布置相同,但方法2認(rèn)為混凝土襯砌與保溫板間存在空隙,計(jì)算過(guò)程中需考慮接觸熱阻。方法3的渠道保溫襯砌交錯(cuò)布置形式為:陽(yáng)坡上層混凝土襯砌較厚,下部?jī)蓪颖匕迳员?兩層保溫板中間夾層混凝土也較厚。在固態(tài)物質(zhì)的界面上,通常會(huì)出現(xiàn)一些孔洞。在實(shí)際應(yīng)用中,孔洞內(nèi)有空氣,會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)接觸表面間產(chǎn)生不連續(xù)的溫度差ΔT。兩種固態(tài)物質(zhì)在界面上的傳熱過(guò)程非常復(fù)雜,而界面上的熱傳遞主要由界面上的真實(shí)接觸點(diǎn)和微小間隙內(nèi)液體的熱傳導(dǎo)兩部分造成。此時(shí),固體材料的界面接觸熱阻的表達(dá)式如下:

(1)

在固體介質(zhì)中,接觸熱阻是一項(xiàng)非常重要的熱傳導(dǎo)參數(shù),直接影響著介質(zhì)間的熱傳導(dǎo)特性。在實(shí)際制冷過(guò)程中,由于接觸熱阻過(guò)大,導(dǎo)致系統(tǒng)能耗的增大。因此,為了改善制冷效率,往往采取減小接觸熱阻的方法。在隔熱領(lǐng)域,為了提高換熱效果,還需要增加接觸熱阻。目前,國(guó)外部分地區(qū)建筑外墻保溫方式主要采用“壁板-保溫板”分層排列的方式。該方式在不同的接觸面上,增大接觸面的接觸面熱阻,達(dá)到了顯著的保溫效果。

但在進(jìn)行混凝土襯砌板、保溫板和渠基土壤的導(dǎo)熱分析時(shí),因渠基土壤處于緩慢的凍融狀態(tài),將其轉(zhuǎn)化為二維面內(nèi)的穩(wěn)定導(dǎo)熱問(wèn)題。固體材料間的TCR對(duì)材料間的熱傳導(dǎo)有一定的影響。在實(shí)際應(yīng)用中,由于接觸熱阻過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增大,故通常采取降低固體材料間接觸熱阻的方法。在隔熱領(lǐng)域,還需要增加固體材料的接觸熱阻。國(guó)外建筑外墻的保溫方式主要是層間保溫,這一方式可以提高外墻與外墻的接觸面熱阻,從而達(dá)到顯著的隔熱效果。本次研究中的熱傳導(dǎo)主要為二維平面的穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)過(guò)程,其具體表達(dá)式如下:

式中:A為凍脹區(qū)域;λx為X方向的傳導(dǎo)系數(shù);λy為Y方向的傳導(dǎo)系數(shù);T為溫度。

2 不同保溫襯砌布置方式結(jié)果分析

為了對(duì)研究提出的保溫襯砌布置方式的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析,將其與方法1和方法2的保溫襯砌方式進(jìn)行效果對(duì)比。應(yīng)用ABAQUS 有限元軟件,建立京石段水工混凝土干渠渠道模型,以溫度場(chǎng)效果、位移場(chǎng)效果、應(yīng)力場(chǎng)效果作為對(duì)比指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。3種不同保溫襯砌布置方式的溫度場(chǎng)對(duì)比結(jié)果見圖3。

圖3 3種不同保溫襯砌布置方式的溫度場(chǎng)對(duì)比結(jié)果

由圖3(a)可以看出,隨著溫度的升高,方法2和方法3的保溫襯砌布置方式沿襯砌厚度均呈上升狀態(tài)。且方法3在-1℃時(shí)有最大沿襯砌厚度數(shù)值,高于方法2擁有最大沿襯砌厚度數(shù)值的-3℃。由圖3(b)可以看出,隨著溫度的升高,方法1和方法3的保溫襯砌布置方式沿襯砌厚度也均呈上升狀態(tài)。且方法3在-1℃時(shí)有最大沿襯砌厚度數(shù)值,高于方法1擁有最大沿襯砌厚度數(shù)值的-2℃。上述結(jié)果表明,方法3的保溫性能優(yōu)于另外兩種方法。

3種方法在渠道3種不同位置下的位移場(chǎng)分析效果見圖4。

圖4 3種方法在渠道3種不同位置下的位移場(chǎng)分析效果

由圖4(a)可看出,在渠道陰坡部分原型渠道的法向凍脹量遠(yuǎn)高于3種保溫方法,且方法3的凍脹量平均值最低,為1.82cm。由圖4(b)可看出,在渠道底坡部分原型渠道的法向凍脹量遠(yuǎn)高于3種保溫方法,且其處于大幅波動(dòng)狀態(tài);此外,還發(fā)現(xiàn)方法3的法向凍脹量平均值也最低,為1.83cm。由圖4(c)可以看出,在渠道陽(yáng)坡部分原型渠道的法向凍脹量遠(yuǎn)高于3種保溫方法,且其變化情況趨于穩(wěn)定;此外,還發(fā)現(xiàn)方法3的法向凍脹量的變化趨勢(shì)也較為平穩(wěn),其平均值為1.84cm,低于對(duì)比方法。上述結(jié)果表明,3種方法均有顯著的保溫效果,且方法3的保溫效果優(yōu)于方法1和方法2。

3種不同保溫襯砌布置方式的應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 法向凍脹力變化情況

圖6 切向凍脹力變化情況

圖8 各算法在模型中的運(yùn)行時(shí)間

圖5為3種方法以及原型渠道的法向凍脹力對(duì)比結(jié)果。從圖5可看出,原型渠道的法向凍脹力變化幅度最大,其最高法向凍脹力最大為2.0MPa。從圖5中還發(fā)現(xiàn),3種方法的法向凍脹力變化均比較穩(wěn)定,其中方法3、方法2、方法1的平均法向凍脹力分別為0.08、0.52及0.76MPa兆。上述結(jié)果表明,從法向凍脹力結(jié)果來(lái)看,3種方法均有一定的保溫效果,且方法3的保溫效果優(yōu)于另外兩種對(duì)比方法。

圖6為3種方法以及原型渠道的切向凍脹力分析對(duì)比結(jié)果。從圖6可看出,原型渠道的切向凍脹力變化幅度最大,其最高切向凍脹力為2.4MPa,最低切向凍脹力為-2.0MPa。從圖6中還發(fā)現(xiàn),3種方法的切向凍脹力變化均比較穩(wěn)定,其中方法1、方法2、方法3的平均切向凍脹力分別為0.53、0.46及0.09MPa。上述結(jié)果表明,從切向凍脹力角度來(lái)看,3種方法均有一定的保溫效果,且方法3的保溫效果優(yōu)于另外兩種對(duì)比方法。

綜上所述,從多個(gè)不同指標(biāo)的對(duì)比結(jié)果來(lái)看,方法3的保溫襯砌布置方式的保溫性能最優(yōu)。因此,將其應(yīng)用于南水北調(diào)工程京石段干渠中,可有效提高其保溫效果,防止凍脹破壞的發(fā)生。

3 結(jié) 論

隨著北方氣溫的不斷降低,南水北調(diào)工程京石段部分經(jīng)常出現(xiàn)凍脹破壞問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題,本文將聚苯乙烯保溫材料板和混凝土襯砌板進(jìn)行聯(lián)合布置,提出一種新型的保溫方法。在對(duì)該方法的性能測(cè)試中發(fā)現(xiàn),該方法在-1℃時(shí)有最大沿襯砌厚度數(shù)值,且其法向凍脹量、法向凍脹力、切向凍脹力分別為1.82cm、0.08MPa及0.09MPa,均優(yōu)于另外兩種保溫方法。上述結(jié)果表明,本研究提出的新型保溫方法的保溫性能優(yōu)于其他保溫方法,利用該方法可有效提高水工混凝土的防凍脹破壞水平。