旱寒地區(qū)裝配式渠道防滲抗凍脹研究進展

摘 要：本文針對旱寒地區(qū)裝配式灌溉渠道滲漏凍脹破壞的問題，綜述了目前渠道防滲抗凍脹技術(shù)的研究動態(tài)，諸如防滲抗凍脹新型材料、結(jié)構(gòu)型式、凍脹理論機理、力學(xué)模型及數(shù)值模擬的發(fā)展狀況，提出了對不同結(jié)構(gòu)型式新型復(fù)合材料渠道防滲抗凍脹建立力學(xué)模型進行數(shù)值模擬分析；綜合考慮各種因素對渠道防滲抗凍脹研究的分析；對減小或消除凍土消融期渠道不均勻沉降的分析，為渠道防滲抗凍脹破壞的進一步研究提供參考價值。

關(guān)鍵詞：渠道防滲抗凍性；結(jié)構(gòu)型式；力學(xué)模型；數(shù)值模擬

中圖分類號：TV732.6 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180631080

引言

西北地區(qū)冬季嚴寒而干燥，氣溫極低，渠道襯砌工程出現(xiàn)嚴重的凍害問題，嚴重影響了渠道輸水效率，縮短了使用壽命，增加了灌溉成本，制約著節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展。如何改進削弱裝配式渠道滲漏和凍脹破壞的技術(shù)，提高輸水效率，減少水資源流失，對于發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)尤為重要。

1 國內(nèi)外研究動態(tài)

1.1 新型防滲抗凍脹材料研究

1.1.1 膨潤土毯

膨潤土毯是新型復(fù)合土工合成材料，周春生采用了室內(nèi)試驗研究了不同濃度膨潤土毯的防滲效果，礦化度小于5g/L時膨脹量較大，防滲效果明顯增強[1]；實踐表明，膨潤土毯使輸水滲漏降低了47.3%[2]，嚴寒地區(qū)，凍土融化后渠道襯砌板底部沒有殘余變形，裝配式混凝土襯砌渠道底部鋪設(shè)膨潤土毯可以適應(yīng)凍脹變形，減輕渠道凍脹破壞。

1.1.2 土壤固化劑

土壤固化劑使得黃土抗凍等級為F18，滲透系數(shù)大大減小。張麗娟通過試驗得出，與普通土相比，石灰、土壤固化劑分別為6%和0.3L/m3時，滲透系數(shù)可降低2～3個數(shù)量級[3]；試驗表明，預(yù)制段渠道凍深低于現(xiàn)澆段，現(xiàn)澆段凍脹量低于預(yù)制段，陽坡凍脹量低于陰坡，土壤固化劑是渠道滲漏減小51.2%[4]，成本偏高。

1.1.3 復(fù)合材料

寧夏灌區(qū)最早使用了竹塑復(fù)合材料襯砌渠道，通過對混凝土和竹塑復(fù)合材料對比分析，竹塑復(fù)合材料渠道使得輸水效率提高50%，大大減小滲漏損失；顧靖超[5]通過試驗觀測氣溫、地溫和渠道變形量等因素，指出在凍融期竹塑復(fù)合材料渠道中最大垂直位移為13.3mm，最大水平位移為8.8mm，切向凍脹力對渠道無破壞影響，凍土融化后最大殘余變形不足0.3%，竹塑復(fù)合材料能夠適應(yīng)季節(jié)性凍土地區(qū)渠道凍脹變形，防止渠道發(fā)生凍脹破壞。

資料表明，玻璃鋼復(fù)合材料有高強度、耐腐蝕、不易老化、不滲漏、耐低溫、抗疲勞的特點。閆長城等[6]把渠基土和襯砌板作為整體用有限元法分析了溫度、位移、應(yīng)力應(yīng)變場，玻璃鋼襯砌渠道使得渠道凍脹變位和凍脹力更為均勻；程傳勝[7]僅把襯砌板作為研究對象，運用ADINA軟件分析表明玻璃鋼材料襯砌渠道陰、陽坡最大凍脹變形比混凝土增加27.0%，而凍脹變形變化率大大減小，使得變形更為均勻，等效應(yīng)力和法向凍脹力減少了40%，削減了渠道的凍脹破壞。

1.2 裝配式渠道結(jié)構(gòu)型式研究

1.2.1 梯形結(jié)構(gòu)渠道

梯形結(jié)構(gòu)是最傳統(tǒng)的渠道截面型式，許多學(xué)者建立了混凝土梯形渠道的凍脹破壞的力學(xué)模型，把渠坡板看作偏心受壓構(gòu)件，底板看作壓彎構(gòu)件[8，9，10]，隨著凍脹程度加劇，渠頂法向凍結(jié)力、渠坡切向凍結(jié)力和襯砌板與渠基土間的摩擦力逐漸增大，使得拉應(yīng)力和彎矩作用于渠道襯砌板，由于混凝土材料彈性小，抗拉強度低，致使混凝土襯砌渠道發(fā)生凍脹破壞。

1.2.2 弧底和弧形坡腳梯形結(jié)構(gòu)渠道

相較于梯形結(jié)構(gòu)，弧底梯形結(jié)構(gòu)沒有明顯突變，很大程度上改善坡腳處凍土對襯砌板的約束，使得凍脹變形的大小和方向都具有連續(xù)性，襯砌板整體凍脹量均勻分布，而渠底凍脹不均勻系數(shù)偏大，弧形渠底呈反拱狀，有較大的承載力，在法向力作用下產(chǎn)生軸向壓力，使得凍土消融后復(fù)位能力變強，凍脹量剩余很小[11，12]；當邊坡傾角較大時，渠坡板向渠內(nèi)側(cè)傾斜位移變形變大，凍融后變形很難恢復(fù)原狀，長期累積就會發(fā)生嚴重的凍脹破壞[13]。

弧形坡腳梯形結(jié)構(gòu)的渠底凍脹力和凍脹變形不均勾系數(shù)比，弧底梯形結(jié)構(gòu)渠道小，且凍脹消融后幾乎沒有剩余凍脹量，凍脹破壞很難發(fā)生[14]。

1.2.3 U型結(jié)構(gòu)渠道

運用力學(xué)模型和熱耦合模型分析U型混凝土襯砌渠道抗凍脹效果，得出其凍脹變形呈不均勻分布[15，16]。弧板中部凍脹變形大，由于混凝土剛度小，彎矩最大處襯砌弧板的拉應(yīng)力大于混凝土的極限承載力時，襯砌板結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生破壞裂縫，法向凍脹力就會導(dǎo)致會襯砌板隆起、架空或斷裂，在挖方、半挖半填或者地下水位相對較高的渠段更為突出，凍融循環(huán)周期后就會出現(xiàn)不同程度的凍脹破壞[31-33]。

1.3 凍脹理論的機理、力學(xué)模型及數(shù)值模擬

1.3.1 凍土的凍脹機理和物理力學(xué)特性

國外Everett[17]最早提出了定量分析凍脹和凍脹力的毛細理論的第一凍脹理論，Miller[18]克服了毛細理論的不足，提出了凍結(jié)緣理論，為建立凍土數(shù)值模型提供了依據(jù)。由于預(yù)報土體凍結(jié)過程中的水流、凍脹、溫度等因素的分凝勢模型和剛性冰模型，只適用于穩(wěn)定熱條件和大量參數(shù)未定[19]，限制了模型的應(yīng)用。

國內(nèi)王希堯[20]最早得出影響基土凍脹的4個因素為土質(zhì)、水分、溫度和外荷載，但未分析各因素間的關(guān)系，隨后，學(xué)者在影響土體凍脹四因素增加了鹽分因素，得出了土體凍脹機理——考慮土體中初始含水量、溫度、壓力、鹽類及含量因素的未凍土水含量綜合預(yù)報模型。李寧[21]考慮了土骨架與冰顆粒相互作用的凍土介質(zhì)特殊有效應(yīng)力原理，建立了水、熱、力與變形真正耦合控制方程，包含凍土中骨架、冰、水和氣四相介質(zhì)。

1.3.2 抗凍脹破壞力學(xué)模型及試驗研究

國內(nèi)很多單位都對混凝土襯砌渠道凍脹破壞的力學(xué)模型做了較深研究與探討。余書超[22]等把襯砌板看作為僅在切向凍脹力作用下的偏心受壓桿件，但沒有考慮因土體凍脹產(chǎn)生法向凍脹力的作用，不符合實際情況。王正中[8]把梯形結(jié)構(gòu)型式襯砌板簡化為簡支梁受力結(jié)構(gòu)，約束為法向凍脹力、法向凍結(jié)力和切向凍結(jié)力；王正中[11]弧底梯形結(jié)構(gòu)型式襯砌板為法向凍脹力對稱分布、重力作用和切向凍結(jié)力約束的靜力平衡拱形結(jié)構(gòu)。李學(xué)軍[16]等對大U形渠道的地域氣溫、地溫、渠基土體含水率、凍結(jié)土深度和襯砌板凍脹變形量進行長期凍脹試驗觀測，統(tǒng)計了大量試驗數(shù)據(jù)，得出了渠道襯砌板發(fā)生凍脹破壞的時間和原因，用數(shù)理統(tǒng)計和數(shù)值分析反計算方法建立了渠道凍脹破壞結(jié)構(gòu)的定量模型，綜合考慮混凝土材料的抗拉強度、極限拉伸變形能力和抗拉彈性模量等指標，得出渠道襯砌板厚度和凍脹控制內(nèi)力的計算方法。

李翠玲[23]把U型渠道襯砌弧板優(yōu)化為薄殼拱形結(jié)構(gòu)，呈上小下大線性分布的法向凍脹力和切向凍結(jié)力和重力共同作用的兩端簡支梁，以靜力平衡為條件計算求得法向凍脹力和切向凍結(jié)力，進而用截面法求得弧板上任一截面的內(nèi)力。

1.3.3 數(shù)值模擬

學(xué)者把渠基土看作單一土質(zhì)均勻連續(xù)各向同性體，不考慮水分遷移，王正中[11]、張茹[24] 以凍結(jié)土體土和襯砌板為一體，運用有限元ANSYS軟件分別對梯形結(jié)構(gòu)、弧底梯形結(jié)構(gòu)、U型結(jié)構(gòu)混凝土渠道襯砌板進行熱應(yīng)力耦合模擬計算，得出陽坡的溫度梯度小于陰坡，陽坡的凍深小于陰坡，凍脹變位陽坡最小，底部次之，陰坡最大，襯砌板向內(nèi)側(cè)傾移，整體發(fā)生上抬、向陽坡產(chǎn)生較小的偏轉(zhuǎn)；陰坡和陽坡切向凍結(jié)力自上而下逐漸加大，底部最大，方向均斜向下指向襯砌板；弧底梯形結(jié)構(gòu)和U型結(jié)構(gòu)切向凍結(jié)力在弧底兩側(cè)由上至下均勻減小，底部偏陽坡面為零，陽坡小于陰坡，方向斜向下指向弧底部。

陳立杰[25]、劉旭東[26]以同樣假設(shè)采用有限元ADINA軟件進行仿真計算，得出襯砌板的凍脹位移、法向凍脹力和切向凍脹力分布規(guī)律相同；程傳勝[7]、高靖[27]以襯砌板為研究對象，采用有限元ADINA軟件進行仿真計算分析，得到同樣的結(jié)論，且新型復(fù)合材料玻璃鋼U型渠道有很強的適應(yīng)變形能力，減輕渠道的凍脹破壞。

2 發(fā)展趨勢

對于新型復(fù)合材料不同結(jié)構(gòu)型式渠道防滲抗凍脹指標長期試驗觀測預(yù)報，建立更為有效合理的力學(xué)模型，進行數(shù)值模擬仿真分析；影響渠道防滲抗凍脹的因素很多，應(yīng)加強綜合考慮各種因素對渠道抗凍脹的分析；對凍土消融期如何減小或消除裝配式渠道的不均勻沉降研究，減小渠道凍脹破壞。

參考文獻

[1]周春生，柴建華，史海濱，等.水質(zhì)對膨潤土防水毯防滲效果影響研究[J].節(jié)水灌溉，2006（6）：27-30.

[2]程滿金，豐湖，王俊英，等.潤土防水毯新材料在襯砌渠道中的應(yīng)用研究[J].節(jié)水灌溉，2010（5）：46-49.

[3]張麗娟，汪益敏，陳頁開，等.ISS土壤固化劑在渠道防滲中的試驗研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2004（6）：18-21.

[4]程滿金，步豐湖，王俊英，等.土壤固化劑新材料在襯砌渠道中的應(yīng)用研究[J].節(jié)水灌溉，2010（4）：33-36.

[5]顧靖超，陸立國.竹塑渠道變形及防凍脹試驗研究[J].人民黃河，2013（1）：96-98.

[6]閆長城，王正中，劉旭東，等.季節(jié)性凍土區(qū)玻璃鋼防滲渠道抗凍脹性能初探[J].人民黃河，2011（3）：140-142.

[7]程傳勝，田軍倉，王斌，等.旱寒地區(qū)U形玻璃鋼和混凝土渠道抗凍脹性能的研究[J].水資源與水工程學(xué)報，2016， 26（6）：173-177.

[8]王正中.梯形渠道砼襯砌凍脹破壞的力學(xué)模型研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004（3）：24-29.

[9]肖旻，李壽寧，賀興宏.梯形渠道砼襯砌凍脹破壞力學(xué)分析[J].灌溉排水學(xué)報，2011（1）：89-93.

[10]孫杲辰，王正中，王文杰，等.梯形渠道砼襯砌體凍脹破壞斷裂力學(xué)模型及應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013（8）：108-114.

[11]王正中，李甲林，陳濤，等.弧底梯形渠道砼襯砌凍脹破壞的力學(xué)模型研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008（1）：18-22.

[12]宋玲，余書超.弧形底梯形渠道受力特征及設(shè)計方法研究[J].人民黃河，2010（8）：126-127.

[13]樊貴盛，張永輝.弧形底梯形渠道混凝土襯砌板下溫度與氣溫間的關(guān)系研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2010（3）：278-282.

[14]蘆琴，劉計良，王正中，陳立杰，韓彥寶，劉旭東.弧形坡腳梯形渠道砼襯砌凍脹破壞的力學(xué)模型研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009（12）：213-217.

[15]陳濤，王正中，張愛軍.大U形渠道凍脹機理試驗研究[J].灌溉排水學(xué)報，2006（2）：8-10.

[16]李學(xué)軍，費良軍，李改琴.大型 U 形混凝土襯砌渠道季節(jié)性凍融水熱耦合模型研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008（1）： 13-17.

[17] Everett D H.The thermodynamics of frost damage to porous solids[J].Trans.Faraday Soc，1961（57）：1541-1551.

[18] Miller R D.Lenshiitiationin Seeond Frost Heaving[M].Sweden，1977：143-151.

[19] Konrad J M， Duquennoi C. A model for water transport and ice lensing in freezing soils[J]. Water Resources Research， 1993，29（9）：3109-3124.

[20]王希堯，關(guān)于渠道襯砌凍害的初步分析[J].水利水電技術(shù)，1979：39-41.

[21]李寧，徐彬，陳飛熊.凍土路基溫度場、變形場和應(yīng)力場的耦合分析[J].中國公路學(xué)報，2006（3）：1-7.

[22]余書超，宋玲，歐陽輝，等.渠道剛性襯砌層（板）凍脹受力試驗與防凍脹破壞研究[J].冰川凍土，2002（5）：639-641.

[23]李翠玲，王紅雨.兩拼式U形渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞力學(xué)模型[J].農(nóng)村水利水電，2014（5）：86-89.

[24]張茹，王正中，牟聲遠，等.基于橫觀各項同性凍土的U形渠道凍脹數(shù)值模擬[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報，2010（5）： 773-783.

[25]陳立杰，蔡雪雁，王正中，等.復(fù)合土工膜與納米混凝土襯砌渠道凍脹模擬[J].中國農(nóng)村水利水電，2010（5）：106-109.

[26]劉旭東，王正中，陳立杰.渠道凍脹敏感性數(shù)值模擬分析[J].節(jié)水灌溉，2010（5）：18-21.

[27]高靖，田軍倉，王斌.裝配式U型混凝土渠道抗凍有限元模型及數(shù)值模擬研究[J].灌溉排水學(xué)報，2015，4（4）：38-42.

作者簡介：程傳勝（1989-），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：土地工程和節(jié)水灌溉技術(shù)開發(fā)研究。