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        考慮鹽堿土固化下膠東調(diào)水干渠襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

        2024-02-29 00:55:24顏曉曉
        水利技術(shù)監(jiān)督 2024年2期
        關(guān)鍵詞:渠坡凍脹力鹽堿土

        顏曉曉

        (山東省調(diào)水工程運行維護中心濰坊分中心,山東 濰坊 261061)

        輸水灌渠襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受多方面因素影響[1-2],在進行襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計時,應(yīng)綜合考量包括渠道土體性質(zhì)、渠坡滲流狀態(tài)以及工程所在環(huán)境。襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞與土體、保溫結(jié)構(gòu)以及襯砌厚度等密切相關(guān)[3-4],研究渠道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性,有助于提升固化土渠道襯砌結(jié)構(gòu)抗凍脹能力。高丹[5]、吉曄等[6]從襯砌結(jié)構(gòu)材料遴選入手,從隔熱保溫材料至保溫板等新型材料,有目的性改變傳統(tǒng)單一襯砌材料,提升襯砌結(jié)構(gòu)防凍脹作用。馬小涵等[7]、吳文杰等[8]從渠基土的凍脹特性入手,分析渠基土凍脹特性對襯砌結(jié)構(gòu)危害特征,進而從襯砌設(shè)計方案的適配性,確保輸水渠道不受凍脹破壞威脅。李響[9]、王海麗[10]借助數(shù)值仿真計算方法,采用ANSYS、ABAQUS等計算平臺建立了輸水渠道仿真模型,與之相匹配土體本構(gòu)方程,研究襯砌結(jié)構(gòu)凍脹力、凍脹位移影響變化,揭示襯砌設(shè)計參數(shù)對渠道防凍脹影響機理,為優(yōu)化襯砌設(shè)計提供依據(jù)。因而,本文考慮工程實際,結(jié)合理論仿真計算,探討鹽堿固化土襯砌厚度參數(shù)影響特性,并基于凍脹力、凍脹位移表現(xiàn),評價設(shè)計方案合理性。

        1 研究方法

        1.1 工程概況

        作為山東半島重要輸水通道,膠東調(diào)水樞紐工程承擔(dān)著農(nóng)業(yè)用水及工民業(yè)用水調(diào)度,共有南、北兩側(cè)并行運營,地下水深度維持在16~25m,年輸水量超過10億m3,也承擔(dān)著地區(qū)生態(tài)補水、保障防洪排泄重要職責(zé)。該調(diào)水樞紐工程輸水干渠建設(shè)總長度為290km,聯(lián)通著各農(nóng)業(yè)灌區(qū)、補水區(qū)以及蓄水單元區(qū),沿線干、支渠途徑地區(qū)最低氣溫為-20~-25℃,夏季時間持續(xù)至7—8月,輸水流量最大的月份為9—10月,但泄流量最高為7月,輸水渠基所在場地凍土層厚度超過2.5m。由設(shè)計資料得知,輸水干渠最寬處為1.8m,渠坡及渠基土中含有鹽堿土、碎石砂土等,而渠基土中主要為鹽堿土,土壤深度分布為0~1.5m、1.5~2.5m兩層,在極低溫度下鹽堿固化土的含水量、厚度以及凍脹特性,對輸水渠道襯砌結(jié)構(gòu)均有負(fù)面影響,要確保膠東調(diào)水樞紐輸水主渠襯砌結(jié)構(gòu)科學(xué)設(shè)計,首要需要探討渠基鹽堿固化土對襯砌結(jié)構(gòu)影響。鹽堿土對襯砌結(jié)構(gòu)破壞來源于自身凍脹,從而引起渠道襯砌結(jié)構(gòu)溫度、濕度、水位、凍脹力以及凍脹位移等參量變化,當(dāng)超過失穩(wěn)臨界值時,襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞失效。圖1為現(xiàn)建設(shè)的輸水主渠襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測示意,受鹽堿土固化影響,襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹力、位移等均超過允許量,渠道襯砌安全受到威脅。因而,有針對性探討鹽堿土凍脹特征很有必要。

        圖1 襯砌結(jié)構(gòu)監(jiān)測示意

        1.2 研究模型

        相比常規(guī)土體,鹽堿固化土凍脹特性受自身礦物成分、厚度、含水量影響,為準(zhǔn)確描述渠基鹽堿固化土凍脹特征,引入凍土本構(gòu)模型,包括有彈性變形與塑性變形兩部分,下式為彈性變形本構(gòu):

        (1)

        式中,Gp=Ep/2(1+vp);ε11、ε22、ε33—3個空間面的正應(yīng)變;γ12、γ13、γ23—3個空間面上切應(yīng)變;vp、vtp、vpt—3個方向上質(zhì)點的泊松比;σ11、σ22、σ33、σ12、σ13、σ23—3個空間面上的正應(yīng)力;Ep、Et—質(zhì)點的彈性模量;Gp—剪切模量。

        塑性本構(gòu)模型采用M-C模型,如下式所示:

        F=Rmcq-ptanφ-c=0

        (2)

        式中,F(xiàn)—剪切應(yīng)力;φ—夾角,不超過90°;c—黏聚力;p、q—剪切面系數(shù);Rmc與式(3)密切相關(guān)。

        (3)

        式中,Θ—偏心角。

        基于凍土彈塑性本構(gòu)模型,在ABAQUS仿真平臺中進行土體凍脹分析,凍土摩擦角、剪脹角等物理力學(xué)參數(shù)均以膠東調(diào)水干渠地勘資料實測取值。模型中鹽堿凍土體的溫度參數(shù)采用熱傳導(dǎo)方程確定[11],不考慮水分遷移引起的熱力荷載轉(zhuǎn)變,如式(4)所示為穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo),熱膨脹系數(shù)設(shè)置為0.0033。

        (4)

        式中,λx、λy、λz—3個方向上導(dǎo)熱系數(shù)分量;T—溫度。

        在沿線干渠中選取ZK6+125—ZK6+610區(qū)段為研究對象,利用ABAQUS仿真軟件建立渠道幾何模型,如圖2所示。該模型兩側(cè)渠坡頂寬度分別為3m,渠底寬度為0.8m,渠坡為1/1.5,模型渠道長為490m,渠坡高度為2.04m,渠坡、渠基土均以鹽堿固化土為原型,含水量設(shè)定為23.5%,土體干密度為1.58g/cm3。根據(jù)魯東半島地區(qū)年平均低溫,設(shè)定為-10℃,此參數(shù)也為鹽堿凍土外接溫度邊界條件,模型頂、底面分別設(shè)定為無約束、法向約束邊界,而兩側(cè)分別具有水平向約束條件。

        圖2 渠道幾何模型

        鹽堿凍土凍脹特性會改變渠道法向、切向凍脹力,而頂、底面凍土襯砌厚度差異性,會導(dǎo)致凍脹力不均衡性,易導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中。因而,基于圖2渠道模型,從襯砌結(jié)構(gòu)鹽堿土襯砌厚度設(shè)計入手,以渠坡腳襯砌厚度為對比參數(shù),在襯砌厚度5~15cm的經(jīng)驗值下,設(shè)定襯砌厚度為6、8、10、12、14、16共6個研究方案,渠頂鹽堿固化土厚度仍為6cm,圖3為不同厚度的鹽堿凍土襯砌模型方案。基于模型計算網(wǎng)格劃分,圖3中3個方案的微單元分別有3872、4388、4524個,同時各方案中渠道襯砌模型中熱力學(xué)荷載等工況參數(shù)均為一致。

        圖3 渠道襯砌厚度模型

        2 鹽堿土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹力特征

        2.1 法向凍脹力

        基于不同厚度鹽堿土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹仿真分析,獲得了渠道襯砌板橫斷面上法向凍脹力變化特征,橫斷面上分為左、右兩側(cè)渠頂4m,中間渠內(nèi)2m,如圖4所示。

        圖4 渠道橫斷面上法向凍脹力變化特征

        依據(jù)圖中法向凍脹力可知,改變鹽堿土襯砌厚度,法向凍脹力在橫斷面上變化特征具有一致性,呈“上凸”特征,即渠底法向凍脹力最大。當(dāng)鹽堿土厚度為8cm時,襯砌板橫斷面1m處法向凍脹力為3.52MPa,而橫斷面為5.5m處法向凍脹力較之前者提高了70.8%,但在橫斷面9m處法向凍脹力較之橫斷面5.5m處減少了41.4%,其他方案亦是如此。當(dāng)鹽堿土襯砌厚度增大,整體上法向凍脹力水平為遞減,同是橫斷面7m處,厚度6cm方案下應(yīng)力為5.11MPa,而在厚度10、14、16cm下較之分別減少了37.1%、53.2%、54.4%。從法向峰值凍脹力對比亦可知,厚度6cm時為7.3MPa,隨鹽堿固化土厚度每遞增2cm,其峰值法向凍脹力平均可減少8.6%。進一步具體分析凍脹力與鹽堿土襯砌厚度關(guān)系可知,在厚度12~16cm方案內(nèi),實質(zhì)上峰值法向凍脹力降幅低于厚度6~12cm區(qū)間,對比可知,厚度6~12cm方案內(nèi),峰值法向凍脹力分布為4.6~7.3MPa,平均降幅為14.2%,最大降幅為14.9%,而在厚度12~16cm方案內(nèi),法向峰值凍脹力平均減少了2.8%,增大鹽堿土襯砌厚度,但法向凍脹力降低效果有所減弱。

        根據(jù)渠道襯砌板凍脹力計算,獲得了圖5所示各方案中法向凍脹力分布特征。分析可知,渠坡內(nèi)兩側(cè)法向凍脹力分布具有對稱性,且量值水平均低于渠底[8,12];另一方面,峰值法向凍脹力分布于渠坡腳處,襯砌板應(yīng)更關(guān)注渠坡處法向凍脹力分布。從抑制法向凍脹力考慮,襯砌厚度的選擇可不需考慮凍脹力分布變化,僅需研究其對凍脹力量值水平影響。

        2.2 切向凍脹力

        襯砌結(jié)構(gòu)凍脹力反映了鹽堿固化土凍結(jié)與渠道穩(wěn)定特性,同樣根據(jù)凍脹力計算獲得了各方案中橫斷面上切向凍脹力變化特征,如圖6所示。不難看出,切向凍脹力隨鹽堿固化土襯砌厚度變化與法向凍脹力有所相似,均為“上凸”,且鹽堿固化土襯砌厚度改變,不影響切向凍脹力的變化趨勢。由此可知,凍脹力在法向、切向上量值表現(xiàn)皆不受鹽堿土襯砌厚度參量影響[13]。對比切向、法向凍脹力可知,前者量值水平更高,在襯砌厚度8cm方案下,切向凍脹力在橫斷面上分布為9.6~18.7MPa,較之法向凍脹力增大了1.92~2.93倍。

        圖6 渠道橫斷面上切向凍脹力變化特征

        當(dāng)襯砌厚度遞增時,橫斷面上切向凍脹力均為遞減,鹽堿土襯砌厚度6cm方案中橫斷面上均值切向凍脹力、峰值切向凍脹力分別為16.2MPa和21.5MPa,而隨厚度每遞增2cm,均值、峰值切向凍脹力分別平均可減少14.3%、10.3%。相比之下,切向凍脹力受鹽堿土襯砌厚度影響敏感性高于法向凍脹力。從鹽堿固化土襯砌厚度影響切向凍脹力階段性可知,同樣是在厚度6~12cm區(qū)間內(nèi),峰值切向凍脹力具有較大的降低幅度,如在厚度8~10cm間具有最大降幅13.5%,而在厚度12~16cm方案后,其切向凍脹力降幅處于較緩狀態(tài),峰值切向凍脹力平均降幅僅為1.6%。對比之下,不論是法向或切向凍脹力,均應(yīng)關(guān)注鹽堿固化土襯砌厚度6~12cm方案,避免襯砌厚度超過12cm。

        3 鹽堿土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹位移特征

        基于襯砌結(jié)構(gòu)凍脹仿真計算,獲得了各厚度方案下襯砌板橫斷面上凍脹位移變化特征,如圖7所示。由圖中凍脹位移可看出,鹽堿土厚度不同,其凍脹位移在橫斷面上變化特征具有差異性,當(dāng)厚度為6~12cm方案內(nèi)時,其凍脹位移呈先增后減的“上凸”特征,峰值位移均指向橫斷面6m,該部位位于渠坡坡腳處;當(dāng)厚度為14~16cm時,凍脹位移具有二次遞增特點,峰值凍脹位移轉(zhuǎn)移至右側(cè)渠坡,位于右側(cè)渠坡橫斷面10m處。分析表明,鹽堿土襯砌厚度不應(yīng)過大,易導(dǎo)致在一側(cè)形成凍脹位移不均衡,此與穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)引起的渠坡位移“時差”性有關(guān)[3,14]。

        圖7 渠道橫斷面上凍脹位移變化特征

        當(dāng)鹽堿土襯砌厚度遞增,凍脹位移總體上為遞減,但在襯砌厚度14cm和16cm方案內(nèi),二次遞增段會形成更高水平的凍脹位移,甚至超過襯砌厚度10cm和12cm方案。在襯砌厚度6cm時,橫斷面上峰值凍脹位移為10.97mm,而厚度8cm和12cm方案下,峰值凍脹位移較之前者分別減少了8.4%和25.5%,而厚度14cm和16cm峰值凍脹位移分別達到7.5mm和7.1mm。從干渠鹽堿土襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化考量,凍脹位移反映了襯砌結(jié)構(gòu)與鹽堿土之間平衡作用,當(dāng)鹽堿土襯砌厚度超過12cm時,很容易導(dǎo)致渠坡出現(xiàn)失控凍脹位移量,失去了襯砌結(jié)構(gòu)價值。因而,結(jié)合襯砌結(jié)構(gòu)凍脹力、凍脹位移影響特性,干渠鹽堿土襯砌厚度為12cm設(shè)計最合理。

        4 結(jié)語

        (1)襯砌厚度改變,法向凍脹力在渠道橫斷面上仍呈“上凸”特征,兩側(cè)渠坡法向凍脹力具有對稱性,峰值法向凍脹力位于渠坡腳;在厚度6~12cm方案內(nèi)法向凍脹力受影響敏感性更高。

        (2)切向凍脹力在橫斷面上表現(xiàn)特征與法向凍脹力一致,但切向凍脹力量值水平高于后者;隨厚度梯次變化,切向凍脹力變化敏感區(qū)間仍為6~12cm。

        (3)厚度6~12cm內(nèi),凍脹位移在橫斷面上為先增后減的“上凸”特征,而在14~16cm區(qū)間內(nèi),凍脹位移在右側(cè)渠坡上具有二次遞增特征。

        (4)綜合不同厚度下鹽堿固化土襯砌效果可知,厚度12cm時設(shè)計最合理。

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