聚苯板防凍脹措施在凍土區灌溉渠道的實際應用

吾爾來西·吾提庫爾

(新疆水利發展投資(集團)有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引 言

中國季節性凍土區分布廣泛,此類地區在冬春季節凍融作用十分明顯,這種凍融作用對土體物理力學屬性和結構的影響較大,進而對渠道等水工結構造成不利影響甚至破壞。目前,國內外學者在渠道襯砌結構保溫防凍脹方面展開了大量且深入的研究,但是均未從根本上解決問題,寒區渠道凍脹破壞問題仍普遍存在。

根據節水工程技術實施經驗,在渠道剛性襯砌結構下鋪設隔熱保溫材料層,能對渠基土發揮較好的保溫效果,并起到一定程度的抑制凍脹破壞的作用。當前,聚苯板和聚氨酯板兩種保溫材料在寒區水工建筑物中均有一定程度的應用,且具有高強、質輕、隔熱性能優異、便于施工等性能優勢。但是目前對聚苯板和聚氨酯板在保溫效果及防凍脹方面綜合比較的研究成果仍較少。為此,文章依托具體工程,重點研究聚氨酯保溫材料在保溫、抗凍脹效果及成本等方面的優越性,為該種材料推廣應用提供借鑒參考。

1 工程背景

新疆某灌區所處地區為中溫帶大陸性季風氣候區,冬季嚴寒,極端最低溫度達到-41℃,凍土深度位于134～185cm之間。該灌區地下水豐富且水位較高,普通混凝土渠道經過3～5a的運行后幾乎完全凍脹破壞。該灌區3#支渠原采用5cm厚的C15預制混凝土板襯砌結構,下設2cm厚的砂漿墊層,下部為基土層,渠道原襯砌結構,見圖1。這種剛性襯砌結構無法抵御因環境溫度降低及地下水作用所引起的凍脹,為此必須增設保溫材料,提升渠道襯砌結構保溫效果及抗凍脹性能。

圖1 渠道原襯砌結構

2 聚苯板保溫機理

聚苯板屬于優質的隔熱材料,抗凍性好,質輕且吸水性小,在水利工程襯砌及工民建墻體保溫等領域應用廣泛。該灌區渠道襯砌結構中也大量使用了聚苯板材料。為展開該材料保溫機理分析,應用ADINA有限元軟件展開溫度場模擬,并采用瞬態分析和穩態分析兩種方法依次展開聚苯板保溫機理模擬。

2.1 瞬態分析

瞬態分析主要研究渠道襯砌結構下土體溫度的變化過程。一般情況下,渠道襯砌結構和外界發生溫度交換時,外界溫度呈線性下降趨勢,且溫度僅沿襯砌結構厚度方向變化[1]。

1)在渠道坡面不設置保溫板的情況下,設定環境初始溫度為1℃,通過分析這種襯砌結構在與外界環境熱量交換12h下的溫度場趨勢云圖可以看出,襯砌結構中溫度顯著降低,且渠底低溫發展十分迅速。其中-5℃溫度等值線已經越過混凝土層,結構表現出明顯凍害;0℃溫度等值線已經穿過砂墊層,渠坡下部土體表層已經處于凍脹狀態。不設置保溫材料的情況下,襯砌結構凍深作用范圍為渠坡襯砌結構設計厚度。

2)設置保溫材料的情況下,襯砌結構在與外界環境熱量交換的過程中,溫度場中低溫區域在逐步縮小;渠底低溫僅小部分深入砂墊層和基土分界線處,渠坡砂墊層中無低溫分布。可見,是否設置保溫材料的溫度場云圖存在明顯差異,也說明保溫材料的設置能明顯縮小渠道襯砌結構中低溫區域的分布,優化溫度場。

2.2 穩態分析

渠坡所吸收的外界熱量和渠坡自身熱量之和為其向外界傳遞的熱量,假設渠坡各節點溫度恒定,即達到渠坡熱穩定狀態[2]。

1)在不設置保溫材料的情況下,根據襯砌結構穩定云圖,襯砌結構中最低和最高溫度分別為-2.1℃和0.8℃,且內部低溫占較大比例;0℃溫度界占比較大,表明渠坡已發生凍脹破壞。

2)設置保溫材料后0℃等值線均位于保溫層以上,說明保溫材料對渠坡底土起到保護作用;同時能有效避免負溫下土層凍脹破壞。

3 模型構建及驗證

3.1 模型構建

該灌區3#支渠采用預制混凝土板襯砌結構,坡度為1∶1.25,底板寬3.1m,渠道深4.5m。以該支渠為背景構建有限元模型,并結合現場實際確定邊界條件和參數取值。模型上下部分為空氣對流和凍深邊界,其中,陽坡和陰坡法向凍深依次為1.75m和1.40m,渠底凍深在以上兩個數值間緩慢過渡。渠道凍脹屬于較為復雜的過程,為簡化分析,在建模過程中將渠道和襯砌結構視為整體。研究渠段地下水位基本穩定,故分析過程中忽略水位升降的影響,基土凍脹則主要取決于基土自身負溫;假定渠道軸線向基土溫度無差異,最終采用ADINA模型展開溫度荷載應變分析。

所構建的渠道襯砌結構模型上部直接和空氣接觸,故其上表面溫度與環境溫度基本相當,并取工程所在地1月平均氣溫,陰坡和陽坡分別為-28.41℃和-22.12℃。模型下部為凍深邊界,將其溫度設定為0℃。對有限元模型進行映射網格單元劃分,同時加密襯砌結構和基土表層。根據工程概況、技術資料和實測結果,得出渠道襯砌結構下部土體及襯砌材料相關參數取值,渠道土體基本參數,見表1;襯砌材料力學參數,見表2。

表1 渠道土體基本參數

表2 襯砌材料力學參數

3.2 觀測設計

結合灌區特點,對3#支渠試驗段展開防凍脹襯砌處理,為驗證是否設置聚苯板保溫層以及設置不同厚度聚苯板保溫層的保溫效果和防凍脹效果,共設計出8種方案:方案1(對比工況)為未設置聚苯板,其余6個方案均設置聚苯板材料層,方案7則設置6cm厚的聚氨酯保溫材料;所有方案除保溫材料厚度和類型不同外,其余參數完全一致。以上各方案下渠道襯砌結構鋪設順序與圖1一致,但襯砌材料鋪設厚度相應增大。防凍脹襯砌處理方案,見表3。

表3 防凍脹襯砌處理方案

為獲取可靠的防凍脹效果數據,在各試驗段陰坡、陽坡的1/3和2/3處布設地溫試驗測點,測點埋深依次為50cm、100cm和300cm,并通過鉑電陰傳感器按照13min/次的頻次展開不同方案下基土地溫測試;同時采用水準儀測量凍脹量,并按10d/次的頻次測量觀測點和基準點高差。

3.3 模型驗證

應用文章前述有限元模型展開該灌區3#支渠渠道不同襯砌方案效果的模擬分析,并將模擬值和實測值展開比較,以反映和評價模型結果的準確性與可靠性。該渠段所鋪設聚苯板厚度為8cm,同時埋設有地溫監測系統,對模擬值和實測值進行比較,模型驗證結果,見圖2。根據圖中內容可以看出,兩者取值較為接近,變動趨勢也基本一致,體現出文章所構建的模型預測精度較高,故以下主要應用有限元模型展開聚苯板材料保溫效果和抗凍脹效果的分析;此外,隨著埋深的增大,渠道襯砌結構地溫增幅明顯減小,這表明渠道襯砌結構中埋設聚苯板保溫材料后能在300cm以上的土層中發揮明顯的升溫和保溫效果。

圖2 模型驗證結果

4 聚苯板效果分析

4.1 保溫效果

應用有限元模型對該灌區3#支渠不同襯砌方案基土地溫展開模擬,在模擬結果中提取基土表層最低溫度,基土表層最低溫度模擬結果,見表4。同時,根據所收集的渠道陰坡和陽坡30cm和50cm深度下測點處地溫監測結果,繪制地溫變動趨勢線,以更為直觀地比較不同方案基土凍結時間、凍深及保溫效果。根據表中結果以及地溫變動趨勢線走勢可以得出:

表4 基土表層最低溫度模擬結果

1)在不設置聚苯板保溫材料的情況下,基土表層地溫與最低,并與外界環境溫度變化直接相關,波動十分劇烈,渠道基土也表現出嚴重破壞;

2)其余方案下,因設置有聚苯板保溫層,故地溫趨勢線明顯與環境溫度變化過程分離,且整個監測期內地溫波動平緩,取值也基本位于-8.45～-2.57℃之間,與不設置聚苯板的方案相比,保溫效果提升29.87%～75.78%。但是隨著聚苯板材料厚度的增加,基土表層最低溫度提升幅度呈下降趨勢,且為確保渠道基土表層最低溫度提升50%及以上,聚苯板厚度必須至少達到6cm。

3)最后,對于相同厚度的聚苯板保溫材料,因受到地下水埋深、日照時間及強度等因素的影響,陽坡溫度高于陰坡,且渠坡1/3處基土溫度明顯高于渠坡2/3處。

4)6cm厚的聚苯板保溫材料和4cm厚的聚氨酯保溫材料基土地溫過程線基本重合,說明兩種厚度的保溫材料保溫效果接近,但是4cm厚聚氨酯材料采購成本約為6cm厚聚苯板材料的30%～50%。對于該北方寒區灌溉渠道而言,出于保溫性和經濟性的綜合考慮,應選擇6cm厚的聚苯板保溫材料。

4.2 防凍脹效果

不設置聚苯板的陰坡凍脹位移最大值為148cm,融通后凍脹位移最大值為102cm,陽坡凍脹位移最大值分別為98cm和59cm,表現出較為嚴重的凍脹破壞趨勢;陰坡含水量大于陽坡也是造成陰坡凍脹位移最大值較大的主要原因之一[3]。在采取聚苯板和聚氨酯保溫措施后渠坡凍脹位移明顯減小,并且隨著保溫效果的增強,凍脹位移最大值遞減,其中方案7(4cm厚聚氨酯板)最大凍脹位移略>方案3(6cm厚聚苯板);隨著聚苯板厚度的增大,抗凍脹效果提高,但提升幅度逐漸減慢。凍脹位移最大值模擬結果的統計,見表5。

表5 凍脹位移最大值模擬結果的統計

渠基土含水量和凍結過程中的水分遷移是引起渠道凍脹的主要因素,為提高渠道保溫材料的防凍脹效果,必須采取有效措施降低渠基土含水量,抑制或阻斷凍結期間水分遷移過程[4]。

5 結 論

綜上所述,對于北方寒區灌溉渠道而言,不設置保溫材料的情況下,凍結期內渠基土溫度必然隨環境溫度的變化而劇烈變化,并表現出嚴重的凍脹破壞。為有效削減渠基土凍脹,必須將保溫材料和渠道剛性襯砌結構有機結合。4cm厚的聚氨酯材料保溫效果與6cm厚的聚苯板材料保溫效果相當,但聚氨酯材料造價高,且4cm厚的聚氨酯防凍脹效果略差于6cm厚的聚苯板。隨著聚苯板保溫層厚度的增大,保溫效果和抗凍脹效果提高,但提升幅度降低。綜合考慮保溫效果、抗凍脹效果、技術要求及經濟性,該渠道工程最終選用6cm厚的聚苯板保溫材料。