擠塑聚苯板對混凝土襯砌渠道防凍性能的影響

余 勇

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830001)

中國興建了大量水利工程，但灌溉渠道利用率僅為55%左右，渠道的輸水損失主要包括水面蒸發、漏水和滲水損失，其中滲水損失約占總損失量的80%[1-2]。農業輸水灌渠的主要是混凝土襯砌渠道，北方季節性凍土區渠基土凍脹破壞極為廣泛，灌渠滲水現象較為嚴重[3]。因此，渠道凍脹防治是提高灌溉水利用率的有效措施。國內外學者針對灌渠凍脹破壞問題做了大量研究，趙彥琳[4]通過試驗觀測了隨溫度改變土體凍脹量和凍脹力的變化趨勢，按瞬態模式對模型施加溫度荷載，發現玻璃鋼襯砌渠道穩定性和整體性較強；吉曄[5]將凍土視為橫觀各向同性線彈性材料，對東港地區渠道的凍脹破壞進行了詳細分析。劉群昌[6]選用柔性增強涂層與瀝青混凝土兩種抗凍材料，建立了渠道模型對混凝土襯砌進行研究，發現這種新型抗凍形式適宜推廣應用。文章以甘肅省疏勒河灌區干渠為對象，對擠塑聚苯板在混凝土襯砌渠道凍脹防治中的應用進行了研究，以期為渠道防滲抗凍設計提供參考。

1 研究方法

1.1 模型的建立

疏勒河灌區位于季節性凍土區，渠基土的凍融循環致使灌渠無法正常輸水。干渠渠道渠底寬1900 mm，坡長9000 mm，邊坡比為1∶3，左右水平邊界均為800 mm。在襯砌板連接處、坡腳處選取三條觀測線。為探明鋪設苯板對渠道凍深的影響，利用有限元分析法對渠道位移場和瞬態溫度場進行數值模擬，將未鋪設苯板和鋪設苯板的渠道模型分別作為空白組和試驗組。干渠混凝土襯砌板材料為C25混凝土，渠基土樣平均密度為1826 kg/m3，相關參數如表 1 所示。

表1 渠道結構相關參數

渠道模型左右邊界設為絕熱條件，上邊界選用日最低氣溫-時間函數作為溫度荷載，下邊界深度足夠達到穩定溫度，取值為12 ℃。當外界環境溫度為年最低氣溫時，下邊界可視為常年溫度不變層，渠基深度為3 m和10 m模型溫度曲線近乎重合。深度為10 m模型凍深為44.51 cm，深度為3 m模型凍深為44.47 cm，相差僅0.04 m，表明模型計算結果已穩定。苯板鋪設在混凝土襯砌板下方，且襯砌體與渠基土之間無接觸。復合襯砌施工過程中，基礎層選用中粗砂墊層，混凝土直接澆筑在土工膜。文章主要對苯板的保溫作用進行研究，建模時僅輸入C25混凝土襯砌板、苯板和渠基土三種材料參數。根據實地氣候和凍深延遲作用，推測凍深應介于50～120 cm之間，網格采用上密下疏的劃分模式，單元選用PLANE55平面單元，共1213個單元，685個節點。

1.2 模型參數選取

假定渠基土為彈性材料，由于淤泥質粉質黏土的泊松比、彈性模量與溫度呈線性關系。灌區渠基土泊松比及彈性模量隨溫度的變化情況，如圖 1 所示。將凍土的統一凍脹系數作為負膨脹系數，渠基土凍結溫度接近于0 ℃，混凝土襯砌板線膨脹系數為1.1×10-5，泊松比為0.152，彈性模量為27 500 MPa；苯板的泊松比為0，線膨脹系數取0.04。

圖1 渠基土泊松比及彈性模量隨溫度的變化曲線

2 結果與分析

2.1 渠道凍深計算與分析

空白組瞬態溫度場計算結果如圖2所示，最低環境溫度出現在230 d，平均凍結深度約為44.91 cm；隨時間變化，渠道平均最大凍結深度大約為64.15 cm。可見對于環境溫度而言，凍結深度的發展存在滯后效應，隨氣溫變化渠基土表現為中間溫度低于0 ℃，上部和下部溫度大于0 ℃。渠基土上邊界溫度變化與環境溫度變化的曲線大致吻合，外部環境溫度變化使得空白組渠基土發生凍融循環，在凍融和滲漏的交替作用下，產生裂縫的襯砌板極易加劇凍脹損害。

圖2 空白組凍深隨時間的變化曲線

試驗組組渠道模型瞬態溫度場計算結果，如圖 3 所示，環境溫度為-20 ℃時，試驗組1(圖3a)、試驗組2(圖3b)、試驗組3(圖3c)，即鋪設1 cm、3 cm、5 cm苯板渠道模型的平均凍結深度分別為31.65 cm、10.99 cm、0.24 cm，相對于空白組渠道模型凍結深度分別減小了13.25 cm、33.90 cm和44.65 cm。低氣溫條件下，鋪設 1 cm、3 cm、5 cm苯板渠道平均1 cm苯板凍結深度減小量分別為13.25 cm、11.30 cm和8.93 cm，1 cm的苯板平均減少凍深為11.16 cm。

圖3 試驗組凍深隨時間的變化曲線

試驗組1渠道模型三組觀測線所對應的最大凍結深度分別為38.23 cm、57.30 cm和48.29 cm，對應的最大平均凍結深度為47.95 cm，相較于空白組渠道模型凍結深度減少了16.21 cm。試驗組2渠道模型三組觀測線所對應的最大凍結深度分別為13.55 cm、29.95 cm和21.26 cm，最大平均凍結深度為21.58 cm，相較于空白組渠道模型凍結深度減少了42.57 cm。試驗組3中對應的最大平均凍結深度為3.30 cm，相較于空白組渠道模型凍結深度減少了60.86 cm。在年最低氣溫條件下，三組觀測線中觀察線2所對應的凍結深度均為最大值。最大凍結深度下每 1 cm苯板平均減少凍結深度為14.19 cm，依據文獻[6]說明瞬態溫度場結果較為可靠。

綜合年最低溫度和年最大凍結深度下苯板對凍深減弱效果的試驗結果，隨著苯板鋪設厚度的增加，對凍深減弱的效果隨之降低。選用合理厚度的苯板可以有效節約成本，疏勒河灌區使用5 cm和7 cm苯板模型的保溫效果相差較小。相對于僅選取年最低氣溫時的凍結深度，整年的凍深觀測更為準確，而且苯板對渠基的保溫效果可延遲渠基土負溫的產生，持續觀測1 a的試驗數據中苯板的作用效果更為顯著。三組試驗組渠基土上邊界最低溫度分別為-12.357 ℃、-5.424 ℃和-1.573 ℃，邊界最低溫度相對于空白組分別延遲了16 d、31 d和39 d。主要是因為苯板具有低導熱系數特性，傳熱速率極慢，渠基負溫時間明顯延后，苯板達到一定厚度時，即使環境溫度持續處于負溫狀態中，渠基土在該階段也不出現負溫。從比較中可以看出，隨著苯板在渠道中鋪設厚度的增加，苯板對渠道基底土負溫的延遲效應逐漸減小。鋪設苯板后，0 ℃以下的天數逐漸減少，選擇5 cm苯板時，渠道的防凍效果最好。與空白組相比，鋪設苯板能有效地提高渠道地基的溫度，防止冷空氣進入土體，并通過環境溫度的影響大大降低了內部溫度。

圖4 渠基土上邊界溫度隨時間的變化曲線

2.2 渠道凍脹計算與分析

渠道對稱軸右側凍脹量計算結果如圖5所示，可見，渠道底部的凍脹量最大，其次是渠道邊坡水平邊界與上邊界的連接處。由于該點受到兩個方向的低溫荷載作用，凍脹量較大。結合溫度場計算結果，水平邊界、渠道邊坡和渠道底部的凍脹率分別為3.76%、4.18%和6.84%，平均凍脹率約為4.93%。與室內計算結果相比，絕對誤差為0.178%，滿足工程精度要求。由于混凝土襯砌板強度高、自重大，對渠基土凍脹有明顯的的抑制作用。由于與外界環境直接接觸，渠坡水平右邊界位置承受多個方向的溫度荷載，同時一定程度上混凝土襯砌板有著顯著的保溫效果，凍脹量必然大于其他坡面位置，由于斜坡面和水平坡面為兩個整體，連接縫隙處基土凍脹量得以釋放。

圖5 空白組凍脹位移數值模擬展開圖

2.3 渠道位移場計算與分析

試驗組凍脹量計算結果，如圖6所示。可以看出，試驗組1、試驗組2和試驗組3的最大凍脹量均出現在渠底中央處，凍脹量分別為29.81 mm、15.57 mm和5.61 mm。一方面渠底未鋪設苯板，漿砌塊石的保溫性能遠低于苯板-混凝土，凍脹量必然會大于其他位置。另一方面，混凝土襯砌板硬度高、自重大，在一定程度上能夠抑制渠基的凍脹，坡腳處承受渠坡和渠底凍脹力作用時，漿砌塊石需承受多方向不均勻凍脹力。由于渠底未鋪設苯板和混凝土襯砌板，試驗組中凍脹形式為自由凍脹，平均凍脹量分別為 25.28 mm、14.17 mm、4.30 mm。與空白組相比，1 cm苯板平均可減少凍脹量為6.44 mm。

圖6 試驗組凍脹位移結果

空白組渠道模型中，渠道斷面中最大凍脹量位于渠底中部，加入苯板后渠基土上邊界隨著苯板厚度增加，凍脹量不斷減小。由于襯砌板自重能夠抵抗部分凍脹力，疏勒河灌區渠基主要表現為原位凍脹，鋪設5 cm苯板完全滿足凍脹防治要求。可以看出，隨苯板鋪設厚度的增加，渠底至渠頂的凍脹位移趨于平緩，苯板能縮短凍結期，基土水分遷移聚集時間變短，且基土負溫狀態持續時間明顯減少。因此，隨著苯板厚度的增加渠道凍脹位移的變化趨勢并不明顯。

3 結 論

利用ANSYS 有限元軟件對疏勒河灌區干渠進行了數值計算，并與加設苯板的渠道模型結果進行比對，解決了原位試驗困難的問題，發現該區域土樣為粉質黏土，瞬態溫度場和位移場計算結果顯示凍深的發展具有滯后性，平均1 cm 苯板可減少6.44 mm的凍脹量和14.19 cm凍深，結果較為準確。綜合數值模擬計算結果和灌區實測資料，推薦鋪設5 cm苯板對于該灌渠凍脹防治最為經濟合理。研究結果對干渠凍脹防治具有重要的參考意義。