納米高性能混凝土+復(fù)合土工膜新型襯砌結(jié)構(gòu)抗凍脹模擬

張軍鵬

（巴音郭楞蒙古自治州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

1 新型防滲襯砌結(jié)構(gòu)性能

復(fù)合土工膜具備水平向?qū)⒇Q直向防滲的作用，與渠基土、過(guò)渡層之間的摩擦系數(shù)以及抗凍脹性能均比單膜高，有助于渠體穩(wěn)定。與此同時(shí)，納米SiO2微粒可以在以下方面提升粉煤灰混凝土強(qiáng)度：其一，納米SiO2能快速與早期所形成的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)并生成細(xì)化晶體粒，預(yù)防硫酸鹽侵蝕，提升水泥漿液和粗細(xì)集料界面強(qiáng)度；其二，早期所釋放出的水化熱可推動(dòng)水泥等成分的水化過(guò)程，提升材料早期強(qiáng)度；其三，納米SiO2還能加速水泥水化進(jìn)程及石膏化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，進(jìn)而生成微粒狀態(tài)含水硫酸鹽的鈣晶體，在晶體持續(xù)膨脹的情況下可增強(qiáng)混凝土密實(shí)度。此外，這種改性劑還能顯著提升粉煤灰混凝土材料的早期抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)密實(shí)性、抗凍耐久性、抗?jié)B透性。

2 渠道概況

某大型灌區(qū)年降水量均值為382.70 mm，而多年平均蒸發(fā)量達(dá)到1 817 mm，年平均氣溫5.80℃，極端最低溫度-31℃，最大凍深1.90 m。現(xiàn)澆混凝土襯砌塊體積較大，厚度薄、接縫及滲水少，這種襯砌結(jié)構(gòu)對(duì)渠床所發(fā)生的不均勻凍脹較為敏感，且受其影響后容易出現(xiàn)隆起及不規(guī)則的橫縱向裂縫；東西向渠道陰坡裂縫數(shù)量明顯比陽(yáng)坡裂縫數(shù)量多，且陰坡裂縫最長(zhǎng)達(dá)到5～10 cm，但寬度不大；因裂縫而裂開(kāi)的板體間存在錯(cuò)位。

3 防滲渠道抗凍脹模擬

3.1 有限元模型

針對(duì)所提出的地處中國(guó)西北旱寒地區(qū)的某灌溉工程，其渠道底板設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為200 cm，陰坡豎向高度和陽(yáng)坡豎向高度均為250 cm，陰坡和陽(yáng)坡坡比均為1∶1.50，坡板設(shè)計(jì)厚度10 cm。為進(jìn)行分析比較，共提出兩種工況：工況1 為梯形渠道常規(guī)混凝土襯砌，工況2為“納米高性能混凝土+復(fù)合土工膜”襯砌結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行兩種工況渠道襯砌結(jié)構(gòu)抗?jié)B穩(wěn)定性及抗凍脹穩(wěn)定性模擬。兩種工況下渠道襯砌結(jié)構(gòu)厚度均為10 cm，渠道基礎(chǔ)尺寸為自底板向下250 cm，具體見(jiàn)圖1，在溫度場(chǎng)分析時(shí)，以原型襯砌結(jié)構(gòu)外部月材料溫度最大值為各部位試驗(yàn)邊界溫度，設(shè)計(jì)凍深處試驗(yàn)溫度取0 ℃，下邊界試驗(yàn)溫度取10 ℃。在進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的計(jì)算過(guò)程中，必須將襯砌結(jié)構(gòu)和凍土作為整體結(jié)構(gòu)展開(kāi)模擬。X向、Y向位移值均按照零處理，Z向上則在渠道底基土下邊界處增加約束。

圖1 梯形渠道有限元模型圖

結(jié)合熱傳導(dǎo)方程，該旱寒地區(qū)灌溉渠道導(dǎo)熱系數(shù)λ是影響溫度場(chǎng)計(jì)算的唯一參數(shù)，結(jié)合規(guī)范，所研究的渠道在土壤轉(zhuǎn)化為凍結(jié)狀態(tài)后對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)取值變?yōu)?.987 0 W/（m·℃）。但是在進(jìn)行熱力耦合分析的過(guò)程中，熱膨脹系數(shù)應(yīng)按照凍土凍脹系數(shù)的負(fù)值加以確定，凍脹土和薄膜間及凍脹土與混凝土間的摩擦系數(shù)分別取0.60和0.40，其他與渠道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的材料物理力學(xué)參數(shù)取值具體見(jiàn)表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)表

3.2 模擬結(jié)果及分析

3.2.1 溫度場(chǎng)

結(jié)合模擬過(guò)程所得出的溫度場(chǎng)實(shí)際分布，從渠坡支渠底開(kāi)始，襯砌材料溫度變化速度明顯加快，而在距離渠坡比較遠(yuǎn)的渠堤以下，襯砌材料溫度的分布幾乎變?yōu)槠叫兄本€，受渠坡溫度變化的影響可以忽略不計(jì)。為展開(kāi)比較分析，在灌溉渠道襯砌板上隨機(jī)選擇9個(gè)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行渠道變位模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，具體見(jiàn)圖2。由圖可知，當(dāng)彈性模量減小、熱膨脹系數(shù)增大時(shí)，納米混凝土襯砌+復(fù)合土工膜防滲結(jié)構(gòu)凍脹變形隨之增大，但凍脹應(yīng)力呈下降趨勢(shì)。由于地下水埋深較淺，渠坡底部自由凍脹量明顯增大，并且凍脹變形主要表現(xiàn)出無(wú)規(guī)律的分布態(tài)勢(shì)。工況1和工況2的渠道凍脹分布情況模擬結(jié)果也均與工程實(shí)際較為吻合。渠坡板和渠堤頂部因同處于凍結(jié)狀態(tài)而表現(xiàn)為一致的凍脹變形規(guī)律，渠道上下部分別受凍結(jié)力和底板的約束。

圖2 渠道變位模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比圖

3.2.2 襯砌板下凍脹力

通過(guò)對(duì)工況1和工況2襯砌板下法向凍脹力分布以及可能變動(dòng)趨勢(shì)情況的比較分析，無(wú)論是陰坡坡面還是陽(yáng)坡坡面，襯砌材料的法向凍脹力均表現(xiàn)出由上往下持續(xù)增大的趨勢(shì)，直到渠道底部后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，且這種增大趨勢(shì)陽(yáng)坡比陰坡更為明顯。在使用納米高性能混凝土襯砌材料后，襯砌結(jié)構(gòu)所明顯存在的法向凍脹力變形得到充分釋放和緩解，受力狀態(tài)也因此而顯著改善，法向凍脹力降幅最大可達(dá)39%。

通過(guò)分析工況1和工況2該西北旱寒地區(qū)灌溉渠道襯砌板結(jié)構(gòu)切向凍脹力實(shí)際的分布情況不難發(fā)現(xiàn)，“納米高性能混凝土+復(fù)合土工膜”防滲襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)用于工程實(shí)際后渠道原來(lái)抗?jié)B及抗凍脹變形得到有效釋放。陰坡和陽(yáng)坡最大切向凍脹力降幅分別達(dá)到44%和39%。

3.2.3 襯砌板上拉應(yīng)力及拉應(yīng)變

一般情況下，渠道襯砌板結(jié)構(gòu)所具有的抗凍脹性能不同時(shí)，則襯砌結(jié)構(gòu)表面所對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力和極限拉應(yīng)力、結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)變與極限拉應(yīng)變等取值的差異會(huì)較大，對(duì)灌溉渠道襯砌結(jié)構(gòu)的抗凍性、抗?jié)B性能也相應(yīng)具有不同影響，為此，必須結(jié)合實(shí)際工況，通過(guò)分析襯砌結(jié)構(gòu)真實(shí)準(zhǔn)確的極限拉應(yīng)力、極限拉應(yīng)變理論值與實(shí)際值之間可能存在的差距，在預(yù)留充分的安全儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上展開(kāi)設(shè)計(jì)和施工參數(shù)擬定。文中所進(jìn)行的材料性能模擬試驗(yàn)也表明，納米高性能混凝土、復(fù)合土工膜防滲襯砌結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變安全儲(chǔ)備系數(shù)分別取3和6，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出常規(guī)混凝土襯砌材料取值為1的安全儲(chǔ)備，可見(jiàn)，本渠道工程所采用的復(fù)合防滲襯砌結(jié)構(gòu)具有較為優(yōu)異的防滲抗凍脹性能。

4 結(jié)論

通過(guò)有限元軟件分析旱寒地區(qū)灌溉渠道不同防滲抗凍脹結(jié)構(gòu)的性能，得出混凝土襯砌渠道凍脹變形受力規(guī)律，納米高性能混凝土與復(fù)合土工膜襯砌材料的抗變形、抗?jié)B等力學(xué)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)混凝土；總之，納米高性能混凝土和復(fù)合土工膜結(jié)構(gòu)襯砌材料的組合能構(gòu)建起防滲、抗凍脹一體渠道復(fù)合防滲結(jié)構(gòu)形式，可在我國(guó)西北干旱寒冷地區(qū)水工渠道襯砌施工過(guò)程中推廣使用。