混凝土-PE結合U形襯砌渠道抗凍性能探究

鞏永杰，王 斌,2,3

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程 研究中心， 寧夏 銀川 750021；3.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，寧夏 銀川 750021)

1 引言

根據第二次全國土地調查成果，我國絕大部分耕地處于季節性凍土區[1]，當季節性凍土發生凍融循環時，土壤中的水分會進行重分布，土壤顆粒骨架發生變化，同時土壤中的鹽分會發生遷移[2]，修筑在上面的人工建筑物在土壤膨脹和鹽凍的雙重作用下發生破壞。農業是我國用水第一大戶，灌溉用水經過襯砌渠道時造成滲漏，約50%灌溉水在輸送途中損耗，農業用水綜合利用效率只有0.55，遠低于發達國家的0.75～0.85[3]，提高農業用水效率，未來農業用水“零增長”“負增長”成為我國水安全戰略，因此提高農業用水利用效率，發展節水灌溉成為亟待解決的問題。我國田間斗渠和農渠襯砌多為預制兩拼式U形混凝土襯砌渠道，因襯砌渠道冬季發生凍脹后，凍脹力和凍脹變形較為均勻得到大力推廣[4]。但在實際使用時，預制混凝土襯砌渠道有許多不足：①單塊板寬度為0.5 m，施工效率低：混凝土預制板為素混凝土，U形預制板在運輸和現場搬運途中容易在直段與弧段相交處發生斷裂，且現場施工主要靠人力搬運，因此單塊混凝土襯砌板長度為0.5 m；②預制混凝土襯砌板表面蜂窩麻面較多，糙率比較大，降低了過水能力，內部存在初始裂縫，渠道經過水時會造成滲漏，為將來凍脹破壞埋下安全隱患；③混凝土為剛性材料，變形能力差，抗凍性不足，因此實際工程通常增大混凝土襯砌板厚度來提高渠道抗凍性，導致施工效率降低，工程造價加大，如使用保溫板進行保溫等措施，導致施工成本增大；④渠道凍脹破壞后維護難度大，修復費用大；⑤國家環保要求：水泥生產是高耗能產業，相應環保要求降低水泥用量。針對預制混凝土U形襯砌渠道的缺點，本文提出混凝土-PE結合U形襯砌渠道，襯砌渠道上部分使用混凝土，下部分使用PE，通過PE發生較大的變形提高襯砌渠道的變形能力[5～12]。

2 試驗

為了對混凝土-PE結合U行襯砌渠道下部分PE提供力學參數，根據《纖維增強塑料拉伸性能試驗方法》(GB/T 1447-2005)中相關規定，本次實驗制作Ⅰ型試樣，制作3個試件，進行拉伸，如圖1所示。

圖1 PE拉伸試樣

拉伸結束后，3個試件的拉伸極限強度分別為24.1 MPa、24.7 MPa、23.7 MPa，中間值均未超過最大 值和最小值15%，因此取3個試件的平均強度24.17 MPa為極限抗拉強度。PE的應力-應變曲線如圖2所示。

圖2 PE拉伸應力-應變曲線

從圖2可知，隨著荷載增大，PE應力-應變曲線首先出現彈性特征，隨著荷載進一步增大，應力-應變曲線出現塑性特征，切線彈性模量逐漸變小。

3 有限元模型

3.1 渠道模型

為了探究混凝土和PE相對使用量對襯砌渠道抗凍脹性能影響，以混凝土和PE之間的相對使用量為變化，引入PE相對使用量系數，其定義如圖3和公式(1)所示：

(1)

式(1)中：α為PE相對使用量系數；h混凝土為襯砌渠道中混凝土的使用量；hPE為襯砌渠道中PE的使用量。

圖3 混凝土-PE結合U形襯砌渠道示意

渠道有限元模型參數設置如下所示：

(1)襯砌渠道上部分混凝土強度為C20，厚度為6 cm。

(2)根據《給水用聚乙烯(PE)管材》(GB/T 13663-2000)，渠道下部分PE的厚度為6 cm。

為了探究PE相對使用量變化對襯砌渠道抗凍脹能力的影響，取PE相對使用量α=0，0.25，0.5，0.75，1.0，1.25，1.50，1.75，2.0等8個數。

3.2 凍脹荷載施加

本文根據學者對凍脹力分布和凍脹形式研究，直接對襯砌渠道施加凍脹荷載[13，20]。

3.2.1 法向凍脹力

法向凍脹力沿著襯砌渠道外側的分布，在陰陽坡兩側顯著不同，具有以下規律：渠頂法向凍脹力為0，在直坡段，法向凍脹力線性增大，在弧段均勻分布；陰坡直段=1.5陽坡直段，陽坡弧段=1.5陽坡直段，陰坡弧段=1.5陽坡弧段，分布示意圖如圖4所示。

圖4 法向凍脹力分布示意

3.2.2 切向凍結力

切向凍結力在襯砌板直坡板部位呈現直線分布特征，渠頂為0，渠道直坡板與弧段相交處切向凍結力達到最大值；在渠底弧形部位沿著襯砌板從上到下切向力逐漸減小，渠底為0，切向凍結力分布如圖5所示。

圖5 切向凍結力分布示意

3.2.3 混凝土-PE結合U形襯砌渠道合力

對襯砌渠道施加凍脹力和切向凍結力后，混凝土-PE結合U形襯砌渠道承受的凍脹荷載合力分布如圖6所示。

圖6 混凝土-PE結合U形襯砌渠道合力

4 抗凍脹能力分析

4.1 混凝土-PE結合U形襯砌渠道應變變化

選擇標記點，以便分析PE相對使用量不同時的混凝土-PE結合U形襯砌渠道在凍脹荷載作用下的力學響應。

圖7為凍脹荷載作用下混凝土-PE結合U形襯砌渠道渠頂應變變化圖。圖7可知，當PE相對使用量α=0.25、0.50時，標記點最大應變均小于預制U形混凝土襯砌渠道，當PE相對使用量α≥0.75時，隨著PE相對使用量增大，標記點最大應變大于預制U形混凝土襯砌渠道且隨著PE相對使用量增大，標記點最大應變逐漸增大。隨著PE相對使用量α增大，渠道同一點的最大應變逐漸增大，表明混凝土-PE結合U形襯砌渠道中使用PE能夠改善襯砌渠道的力學響應，增大混凝土的應變，發揮材料的特性，使得混凝土-PE結合U形襯砌渠道能夠很好地抵抗襯砌渠道凍脹荷載，提高渠道的抗凍脹能力。

圖7 襯砌渠道標記點最大應變

4.2 混凝土-PE結合U形襯砌渠道最大位移

混凝土-PE結合U形襯砌渠道渠頂最大位移隨著PE相對使用量增大的變化趨勢如圖8所示。從圖8可知：當α=0時，預制U形混凝土襯砌渠道渠頂最大位移為3.19 mm，當PE相對使用量α=0.25、0.50時，混凝土-PE結合U形襯砌渠道渠頂最大位移均小于預制U形混凝土襯砌渠道；當PE相對使用量α≥0.75時，混凝土-PE結合U形襯砌渠道最大位移大于預制U形混凝土襯砌渠道。當PE相對使用量α≤1.25時，襯砌渠道渠頂最大位移增大趨勢較為平緩，當α=1.25時，渠頂最大位移為預制U形混凝土襯砌渠道的2.2倍；當α≥1.50時，襯砌渠道渠頂最大位移增大趨勢加快，當α=1.5、1.75、2.0時，混凝土-PE結合U形襯砌渠道渠頂最大位移為預制U形混凝土襯砌渠道渠頂最大位移的4.1倍、5.0倍、6.3倍。因此PE相對使用量越大，則襯砌渠道渠頂位移的增加量越大。

圖8 結合U形襯砌渠道渠頂最大位移

4.3 混凝土-PE結合U形襯砌渠道承載力變化

混凝土-PE結合U形襯砌渠道開裂荷載和破壞荷載隨著PE相對使用量增大的變化趨勢如圖9所示;混凝土-PE結合U形襯砌渠道開裂荷載、破壞荷載與PE相對使用量的擬合關系如表1所示。

圖9 開裂荷載、破壞荷載與變化關系

表1 開裂荷載、破壞荷載與PE相對使用量α擬合

預制U形混凝土襯砌渠道的開裂荷載和破壞荷載分別為0.756 MPa、1.30 MPa。當PE相對使用量時，混凝土-PE結合U形襯砌渠道開裂荷載和破壞荷載均小于預制U形混凝土襯砌渠道；當PE相對使用量α≤1.25時，混凝土-PE結合U形襯砌渠道開裂荷載和破壞荷載與預制U形混凝土襯砌渠道相等；當PE相使用量時，混凝土-PE結合U形襯砌渠道開裂荷載和破壞荷載大于預制U形混凝土襯砌渠道。因此在襯砌渠道中PE相對使用量α不應小于1.5。當PE相對使用量α=1.5、1.75、2.0時，混凝土-PE結合U形襯砌渠道破壞荷載分別為預制U形混凝土襯砌渠道的1.01倍、1.1倍、1.2倍，當PE相對使用量時，混凝土-PE結合U形襯砌渠道最大位移相比較預制U形混凝土襯砌渠道較大，因此襯砌渠道通過發生較大的變形，防止襯砌渠道發生破壞，從而提高混凝土-PE結合U形襯砌渠道的承載能力。

5 結論

本文使用有限元方法，通過對混凝土-PE結合U形襯砌渠進行數值模擬計算，得出以下結論：

(1)隨著混凝土-PE結合U形襯砌渠道中PE相對使用量時，襯砌渠道混凝土標記點最大應變、襯砌渠道渠頂最大位移均小于預制U形混凝土襯砌渠道。

(2)當PE相對使用量時，隨著增大，混凝土-PE結合U形襯砌渠道標記點最大應變、渠頂最大位移、開裂荷載和破壞荷載逐漸增大；隨著PE相對使用量增大，凝土-PE結合U形襯砌渠道最大位移變大，混凝土應變逐漸增大，材料的特性發揮得以發揮，進而提高了混凝土襯砌渠道的開裂荷載和破壞荷載，這符合科學家提出的“以柔克剛”的理念。