考慮渠道運營參數下襯砌結構凍脹特性影響研究

李一峰

(中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007)

0 引言

輸水渠道作為水工建筑中重要引、調水載體，其運營參數設計，關乎著渠道結構穩定性，也同樣影響著襯砌結構安全[1-2]，特別在凍土地區襯砌結構的抗凍脹能力。因而，研究渠道運營參數變化下，襯砌結構凍脹特征影響變化，對優化渠道運營及襯砌設計具有參考價值。肖旻等[3]、劉裕[4]為研究渠道襯砌結構凍脹特性，基于弧形、體型渠道的體型特征，設計開展了凍脹試驗，從試驗結果中分析渠道襯砌結構切、法向凍脹剪力、凍脹位移等，提出優化襯砌結構設計的考量建議。何鵬飛等[5]、龔嘉瑋等[6]引入彈性梁、Winkler模型等凍脹理論，基于實際渠道面襯砌結構設計，對襯砌板進行理論計算，探討襯砌板的凍脹量、凍脹應力變化，分析不均勻凍脹產生根源，有助于實際襯砌結構設計參考。孫黎強[7]、高丹[8]、李克[9]為研究渠道襯砌結構凍脹特性影響因素，從襯砌厚度、渠道斷面尺寸特征、渠基土以及地下水位等方面入手，從凍脹仿真計算過程評價襯砌結構可靠性，為渠道設計及襯砌影響變化探究提供了依據。本文為研究西納川水庫輸水干渠襯砌結構凍脹特性，采用ABAQUS進行了渠道建模及仿真計算，對比了渠水位、入渠流量兩因素下凍脹量、凍脹應力的影響變化，為渠道運營優化提供計算支撐。

1 研究方法

1.1 工程概況

西納川水庫距離西寧市中心約為50km，承擔著西寧地區防洪、灌溉、引調水作用，對調節西寧地區水資源供應、分布等具有重要價值，控制西納川水庫，將極大解決西寧水資源供需矛盾。根據設計資料得知，西納川水庫設計峰值庫容量可達1134萬m3，設計峰值壩高為57m，在壩體軸向方向，延伸距離為465m，在西納川水庫投入運營后，西寧上游來水干流河道受控面積超過1500km2，在夏季汛期，該水庫泄洪流量超過3500萬m3，不僅保障了西寧下游城防安全，同時也有效蓄水調節了農業缺水問題。如圖1所示為西納川水庫樞紐工程平面布置示意，作為地區大型水利樞紐設施，其建設工程包括了溢洪道、主壩、導流洞以及擴展蔓延至西寧下游100km的輸水干渠，從而能夠使西納川水庫具有重要水利價值。從水庫安全建設考慮，一期工程采用圍堰導流施工方式，最大導流量為450m3/s，在主壩、溢洪道等水工建筑施工過程中，對堰坡、防滲墻以及止水面板等結構進行監測，數據表明，施工范圍內不存在活躍滲流，防滲墻底部水頭線繞流、水頭值降低明顯。在此基礎上，西納川水庫計劃在二期工程中著力擴展輸水干渠建設，使之成為西寧地區最大農業以及生活供水來源，解決西寧工、農業用水矛盾。在輸水干渠建設的同時，也對西寧北農業灌渠各干、支渠進行整治清淤，并接入西納川水庫主渠，確保灌區水位、流量得到中轉與調節控制。在上游主壩、溢洪道泄洪工況下，擋水閘門全開泄洪，進入輸水干渠的流量不超過150m3/s，監測渠道重點斷面的水力參數表現較優，但對于渠道襯砌結構的抗凍脹能力還有待研究，特別是在入渠流量、渠內運行水位等變化時，不可忽視渠道襯砌結構凍脹研究。

圖1 西納川水庫樞紐工程平面布置

1.2 凍脹模型

結合西納川水庫輸水干渠運營特征，其襯砌結構凍脹特性與渠內水位密切相關，故需討論襯砌結構在水-熱-力耦合條件下結構凍脹變化。為此，引入熱力耦合方程，如下式[10]：

(1)

式中，λx、λy—水平向、豎向導熱系數；T—溫度；x、y—凍脹面的水平、豎向。

基于結構靜力平衡體系，列出下式：

(2)

式中，L滿足下式。

(3)

(4)

式中，μ、E—襯砌材料物理特征參數，前者為泊松比，后者為模量；εx、εy、γxy—X、Y向正應變以及剪應變；σx、σy、τxy—X、Y向正應力以及剪應力；α為方熱傳導系數；Δt指溫度梯度。

基于熱力耦合凍脹模型方程，采用Abaqus仿真平臺建立起干渠斷面模型[11]，如圖2所示為建立的1側渠道模型，由于渠道襯砌結構具有對稱性特點，故本文研究也只針對于1/2渠底板、1側坡板以及1側渠頂板展開計算對比分析。圖2中渠道模型來自于西納川水庫北側輸水干渠與西寧北灌區聯通區，樁號為K8+235，該渠道不僅在北干渠，且在南干渠乃至西寧北全灌區內，其剖面特征均有代表性，該渠道邊坡系數為1.8，設計渠深為4m，采用模袋混凝土襯砌與卵礫石護底[12]，入渠流量安全允許值為180m3/s，坡腳半徑為3.6m，渠頂寬度為4m，渠頂至渠底高度為3.5m，設計允許水位為3.2m，渠坡板展開長度為3.8m，渠底寬度為1.6m，渠底地下水位為2.8m，渠基土為砂質壤土，含水率約為14.5%～17%，滲透系數為3.6×10-5cm/s。渠道襯砌結構厚度為15cm，糙率為0.03，水力坡降為0.0005，研究模型中一側設定為水熱絕緣，采用四邊形網格單元對計算模型劃分，實際共獲得網格單元36828個，節點數38264個，襯砌板區域精度、網格密度滿足計算要求。

圖2 渠道模型

考慮輸水干渠運行期，入渠流量、渠水位等運營參數均會對襯砌結構產生凍脹影響，故本文在計算模型中分別設定了入渠流量與渠水位2組仿真。入渠流量的設定考慮了渠道限值，分別設定為30、60、90、120、150、180m3/s共7組；渠水位影響組設定有0.8、1.2、1.6、2、2.4、2.8、3.2m，研究模型仿真過程中僅考慮單一變量因素影響。計算工況中，外界溫度取值為西寧地區11—次年3月的平均氣溫；渠內地下水位滲流場視為平靜無流動邊界條件，而模型頂、底部分別為雙約束、零自由度邊界；荷載體系包括了結構自重、土層應力等，物理力學參數均來自室內實測，如土體密度為1.45g/cm3。基于入渠流量、渠水位兩組仿真計算對比，探討西納川水庫下游典型干渠襯砌結構凍脹影響變化。

2 渠水位對襯砌結構凍脹特性影響

2.1 凍脹量

基于不同渠水位工況下襯砌結構凍脹仿真計算，獲得了襯砌頂、坡及1/2底板展開斷面上的凍脹量變化特征，如圖3所示。根據圖3中凍脹量變化可知，渠水位不同，但襯砌板斷面上凍脹量變化趨勢具有相似性，均呈“先減后增再減”變化，但峰、谷凍脹量所在斷面有所差異。在渠水位0.8m時，峰、谷值斷面分別位于5.4、8.5m，而渠水位1.2、2、3.2m時相應峰值斷面分別位于6.2、6.9、8.3m，從峰值凍脹量所在位置來看，整體上均在渠坡板、頂板處，特別是渠水位愈大，則峰值凍脹量愈靠近頂板，即渠水位變化，會影響襯砌板凍脹危險區域的分布變化。具體分析凍脹量增、減變化段，在襯砌底板處，不論渠水位為何值，凍脹量總體均為遞減，而襯砌坡板、頂板處均為遞增、遞減或稍降態勢[13]。由此可知，渠水位的變化，不會改變整體上凍脹強、弱區，仍然可考慮重點設置襯砌坡、頂板的抗凍脹措施。

圖3 襯砌板凍脹量與渠水位變化關系

從凍脹量水平考慮，渠水位愈大，則凍脹量愈高，此特點從渠水位0.8～3.2m持續如此。當渠水位為0.8m時，峰、谷值凍脹量分別為1.73、0.6cm，而在峰值凍脹量的對比中，渠水位1.2、2、2.8m下峰值凍脹量較之前者分別提高了0.35、1.15、2.1倍，總體上看渠水位梯次變化0.4m，則峰值凍脹量平均可提高23.7%，而在渠水位0.8～3.2m中，谷值凍脹量分布為0.6～5.1cm，在渠水位梯次變化中，谷值凍脹量的平均變幅為48.4%。對比之下可知，渠水位梯次遞增，峰值凍脹量受影響敏感度高于谷值凍脹量，即襯砌底板處凍脹水平影響變化弱于襯砌頂板，控制渠水位，將有助于限制襯砌頂板處凍脹水平。

2.2 凍脹應力

同理，從凍脹仿真計算中也可獲得襯砌板的凍脹應力變化，如圖4所示。從圖4中凍脹應力特征可看出，在不同渠水位下，由于熱水力耦合場影響，凍脹應力在斷面上的變化特征點、變化趨勢均有一定差異，如渠水位0.8m下斷面2～4m內，凍脹應力為0.92～1.8MPa，為遞增，斷面間凍脹應力平均增幅為12.4%，而在渠水位2.4、3.2m處，該斷面2～4m內，凍脹應力平均增幅為14.8%、17.5%。綜合分析來看，渠水位不同，在襯砌頂、坡及底板處，凍脹應力的變化幅度各有差異，總體上當渠水位不超過2.4m時，凍脹應力呈“緩增-陡增-遞減”態勢，而渠水位為2.4～3.2m時，凍脹應力在襯砌底、頂及坡板處的變幅均高于前一渠水位階段，且在襯砌頂板處凍脹應力為平衡穩定。分析可知，渠水位對襯砌板凍脹應力影響在于變化幅度，而渠水位過高，襯砌頂板處凍脹應力處于穩定的較高水平，頂板的凍脹危害不可忽視，尤以高渠水位工況為顯著。

圖4 襯砌板凍脹應力與渠水位變化關系

對比凍脹應力水平也可看出，渠水位與之具有正相關變化特征，特別是在渠水位2.4m后，凍脹應力受渠水位影響變化更明顯。以峰值凍脹應力為宏觀對比參數，在渠水位0.8、1.2m時，峰值凍脹應力分別為2.4、2.83MPa，渠水位為0.8～2m時，隨水位遞增，峰值凍脹應力平均提高了0.56MPa，增幅為19.3%，而在渠水位2.4～3.2m時，相應的峰值凍脹應力分布為5.34～9.26MPa，在各渠水位方案中，凍脹應力平均增長為172.2%，而總體上渠水位0.8～3.2m時，峰值凍脹應力平均增幅為114.1%。由此可看出，過高的渠水位，凍脹應力的變化會朝著不可控方向發展，使襯砌板上凍脹應力具有更大的威脅。

3 入渠流量對襯砌結構凍脹特性影響

3.1 凍脹量

基于不同入渠流量工況下襯砌結構凍脹仿真計算，獲得了凍脹量與入渠流量關系，如圖5所示。觀察圖5可看出，入渠流量變化，斷面上凍脹量變化趨勢幾乎保持一致，峰、谷凍脹量均保持同一斷面，分別位于斷面7、1.8m處。總體上看，不論入渠流量為何值，整體上凍脹量均為“遞減-遞增-穩定”變化，分別對應了襯砌底板、坡板及頂板處凍脹量變化特征。在凍脹量水平對比中，入渠流量愈高，則凍脹量愈大，入渠流量為30m3/s時，峰、谷值凍脹量分別為2.72、0.95cm，而入渠流量為90、150m3/s時，相應峰值凍脹量分別為4.82、8.64cm，谷值凍脹量又分別為1.68、3.01cm，相比之下，每一梯次入渠流量變化，引起的凍脹量變化較為接近，當梯次流量變化30m3/s時，峰值凍脹量平均增幅為33.6%，在入渠流量30～60m3/s、90～120m3/s、150～180m3/s時，凍脹量變化依次為33.5%、34.1%、33.9%，基本與平均增幅接近。從入渠流量對凍脹量影響可知，只要在入渠流量安全允許值內，襯砌板凍脹量的增長較穩定[14]，故在渠道運行期，保證入渠流量合理即可，襯砌板的凍脹變化均處于可控狀態。

圖5 襯砌板法向凍脹量與入渠流量變化關系

3.2 凍脹應力

如圖6所示，為不同斷面上襯砌板的凍脹應力變化。由圖6可看出，與凍脹量類似，各入渠流量工況內，凍脹應力在襯砌板斷面上具有相似性變化特征，襯砌底板上凍脹應力水平最低，而襯砌坡板上凍脹應力最高，在展開斷面上，凍脹應力呈“緩增-陡增-遞減變化”，在凍脹應力陡增段，入渠流量30～180m3/s下，襯砌坡板斷面上凍脹應力平均值可達1.54～4.3MPa，峰值凍脹量位于斷面5m，分布于2.52～7.02MPa。從入渠流量與凍脹應力的變化趨勢來看，入渠流量不會改變襯砌板上凍脹應力分布區，襯砌坡、頂板上凍脹應力分布區乃是最高。在凍脹應力對比中，入渠流量愈高，則凍脹應力水平愈大，以襯砌底板處凍脹應力為分析對象，入渠流量30m3/s下底板平均凍脹應力為0.82MPa，而入渠流量為90、150m3/s時，相應平均凍脹應力分別達1.24、1.87MPa，在入渠流量梯次變化中，底板平均凍脹應力的增幅為22.7%，在入渠流量30～180m3/s中，底板平均凍脹應力分布于0.82～2.29MPa，各流量方案間增幅、增量均較穩定。由此表明，在入渠流量變化中，襯砌板凍脹應力、凍脹量僅有量值水平的變化，且變幅較穩定，此可作為入渠流量運營期凍脹水平預估參考。

圖6 襯砌板凍脹應力與入渠流量變化關系

4 結論

(1)各渠水位工況中，襯砌板凍脹量均呈“先減后增再減”變化，但峰、谷凍脹量所在斷面各有差異；渠水位愈大，則凍脹量愈高，特別是峰值凍脹量受之影響高于谷值凍脹量。

(2)渠水位不同，襯砌板斷面上凍脹應力變幅各有區別，以襯砌頂板凍脹危害較顯著；渠水位增大，凍脹應力提高，尤以渠水位2.4～3.2m下凍脹應力增幅最大。

(3)入渠流量增長，凍脹量、凍脹應力分別穩定呈為“遞減-遞增-穩定”、“緩增-陡增-遞減”變化，隨入渠流量的增長過程較穩定。

(4)渠水位對襯砌結構凍脹危害在于頂、坡板，而入渠流量對凍脹影響具有可控性。