1工程設(shè)計

1.1設(shè)計原理

渠道防凍膨脹設(shè)計季節(jié)性凍土地區(qū)灌溉渠道建設(shè)的重要課題。目前，我國北方寒區(qū)的渠道防凍膨脹工程措施主要通過改變渠道結(jié)構(gòu)，達(dá)到防止冬季負(fù)溫條件下渠道凍膨脹破壞的目的[1]。例如，隨著新型保溫材料制造工藝的成熟和成本的降低，在渠道襯板結(jié)構(gòu)中加入一定厚度的新型保溫板可以大大降低襯板結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)土的冷熱交換，從而達(dá)到良好的防凍膨脹效果[2]。上述渠道襯砌結(jié)構(gòu)在多年的工程應(yīng)用中，大部分渠道襯砌保持良好，但個別渠道混凝土板有一定程度的隆起。究其原因，主要是外部水分滲透，地下水通過基礎(chǔ)土進(jìn)入保溫板，在冬季負(fù)溫作用下凍脹破壞[3]。

針對這種情況，提出了通過外部熱量提供阻止渠道凍結(jié)膨脹破壞的正確加熱保溫防凍膨脹渠道的設(shè)計。其基本思路是通過加熱和保溫雙重措施阻止渠道基土的凍結(jié)，同時利用加熱保溫板附帶的防滲層阻止水分進(jìn)入保溫板[4]。同時，通道保溫板通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)濕度和溫度的自動監(jiān)視和正確加熱，灌溉通道的基礎(chǔ)土下降到凍結(jié)的臨界溫度時，保溫板內(nèi)的電熱線開始工作，溫度上升到設(shè)定值時，系統(tǒng)自動停電，停止工作。

1.2防凍防滲復(fù)合板的制作

防凍防滲復(fù)合板采用新型聚苯乙烯保溫板，規(guī)格為200cm×180cm×6cm。在保溫板中進(jìn)行寬度為5mm的人工雕刻槽，形成網(wǎng)狀的水印層，使電熱線的熱量均勻擴散，提高加溫效果。雕刻槽完成后進(jìn)行電熱絲的鋪設(shè)，鋪設(shè)時采用蛇形鋪設(shè)方式，根據(jù)渠道位置的加熱需求確定鋪設(shè)密度，不需要在各渠道鋪設(shè)電熱絲。鋪設(shè)電熱線后，將聚苯乙烯加熱復(fù)合板的上下板用膠合材料封閉，防止電熱線的熱量通過間隙散失。然后在保溫板上使用一布一膜的土工織物制作防滲層，方法是在土工織物的膜面向內(nèi)，用六面環(huán)繞保溫板的方法封住包[5]。渠道基礎(chǔ)開挖結(jié)束后，首先夯實基礎(chǔ)土，在接近坡面的1/3處埋設(shè)溫度和濕度傳感器，在基礎(chǔ)土層上鋪設(shè)厚度為3cm的1:9水泥細(xì)砂墊，在墊層上鋪設(shè)保溫板。

其中加熱保溫板鋪設(shè)在接近渠底的1/3到1/4處，其馀部分鋪設(shè)普通保溫板。在保溫板上鋪設(shè)厚度為3cm的M7.5水泥砂漿，然后再鋪設(shè)厚度為6cm的C20混凝土預(yù)制塊。將已鋪設(shè)的通道上的各加熱單元與溫度調(diào)節(jié)箱連接，通道某單元的基土溫度下降到-2℃時，埋設(shè)在基土中的溫度傳感器發(fā)出信號，傳輸?shù)綔囟日{(diào)節(jié)箱，溫度調(diào)節(jié)箱關(guān)閉開關(guān)，通道保溫板的電熱線開始加熱。當(dāng)基土溫上升到5℃以上時，溫度傳感器將信號傳輸?shù)綔囟葌鞲衅鳎瑴囟葌鞲衅髑袛嚯娫赐Ｖ辜訜�。電熱線停止加熱后，保溫板中的水印網(wǎng)格有相當(dāng)多的剩馀熱量，防止基土溫度急速下降，各單元只需間斷供電，最大限度地保證線路安全。

2渠道凍脹模擬有限元模型

應(yīng)用ANSYS有限元軟件，以遼寧省喀喇沁左翼蒙古族自治縣(以下簡稱喀左縣)平房子灌區(qū)東西走向的梯形灌溉渠道典型斷面為例，對無保溫板、普通保溫板以及精準(zhǔn)加熱保溫板三種不同工況進(jìn)行凍脹應(yīng)力瞬態(tài)數(shù)值模擬，對比分析不同鋪設(shè)條件下的凍脹變化，為精準(zhǔn)加熱防凍防滲渠道建設(shè)提供理論支撐。

2.1原型渠道概況

2.1.1基本情況

喀左縣隸屬遼寧省朝陽市，根據(jù)相關(guān)氣象資料，喀左縣地區(qū)多年平均氣溫為7.2℃，極端最高氣溫為36.6℃，極端最低氣溫為-43.3℃，冬季最大凍土深度為110cm[7]。凍結(jié)日期一般在11月上旬開始，凍結(jié)日期一般在次年3月下旬結(jié)束，往年最大積雪深度約為68cm。

2.1.2相關(guān)參數(shù)

對于模擬計算中的地表溫度值，采取斷面不同位置的日照遮陽系數(shù)進(jìn)行修正[8]。其中，陰坡的修正系數(shù)為1.22；渠底的修正系數(shù)為0.74；陽坡的修正系數(shù)為1.02。

2.1.3仿真材料的力學(xué)參數(shù)

在仿真計算過程中，渠道溫度場的變化僅與導(dǎo)熱系數(shù)的變化有關(guān)。在本次研究中，假設(shè)渠道基礎(chǔ)的各個方向連續(xù)均勻，基礎(chǔ)的導(dǎo)熱系數(shù)在各個方向取得相同的數(shù)值:1.84W/(m℃)。

2.2有限元模型的構(gòu)建

本次研究以喀左縣平房灌區(qū)東西走向的橫截面為研究對象，陰坡、陽坡和渠底的凍深分別取110cm、65cm和85cm，分別建立4種采取不同措施的模型。其中，模型1為未鋪設(shè)保溫板，作為比較模型2為全斷面鋪設(shè)6cm厚度的普通保溫版，模型3為全斷面鋪設(shè)厚度10cm的普通保溫板，模型4為鋪設(shè)上節(jié)所述的正確加熱防凍防滲路線模型。在模型計算過程中，將渠道的混凝土板和基土作為一個整體進(jìn)行網(wǎng)格單元劃分，網(wǎng)格單元采用三角形類型。

3模型計算結(jié)果分析

3.1溫度場分析

在ANSYS有限元軟件中選擇plane35熱分析單元進(jìn)行溫度場求解分析。本次選擇的二維有限元模型，為了更好地模擬渠道的凍結(jié)膨脹變化，選擇有陰坡和陽坡的東西向渠道進(jìn)行凍結(jié)膨脹模擬。為了體現(xiàn)渠道在冬季最不利工況下的凍脹變化，研究中選取最寒冷的1月份的氣溫值-15.6℃，然后利用修正系數(shù)獲得陰坡、陽坡和渠底的初始溫度，分別為-19.1℃、-15.9℃和-11.5℃，下邊界的溫度取0℃。模型四中加熱區(qū)的保溫板，在渠道基土溫度低于-2℃時施加一定的熱量，在渠道基底溫度高于5℃時停止施加熱量。對模型的各界限施加相同的溫度負(fù)荷，然后利用模型進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，獲得模型的溫度場分布特征。

通過比較四模溫度場，發(fā)現(xiàn)在沒有保溫板的情況下，渠道邊坡和底部的溫度變化非常明顯，在渠道鋪設(shè)保溫板時，由于保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)低，可以有效阻止渠道基土和外部冷空氣的熱交換，有效地改變渠道基土的溫度變化根據(jù)溫場模擬計算結(jié)果，模式1-模式3的渠道基土溫度隨時間變化呈現(xiàn)單調(diào)降低的特點，隨著外部溫度達(dá)到當(dāng)?shù)仄骄�最低溫度，渠道基土溫度首先急速降低，然后逐漸穩(wěn)定。其中，沒有保溫板的路線基礎(chǔ)土，溫度下降最明顯，最低溫度也最低的保溫板對路線基礎(chǔ)土溫度的維持有明顯的作用，但最低溫度下降到-5~-6℃以下，容易誘發(fā)凍結(jié)膨脹破壞的正確加熱保溫板的路線，基礎(chǔ)土溫度達(dá)到-2.7℃時出現(xiàn)拐點，隨著電熱線的工作，基礎(chǔ)土溫度逐漸上升，最終在25min時達(dá)到5℃，然后溫度下降由此可見，正確加熱保溫防滲防凍膨脹途徑是可行的。

3.2位移場地分析

溫度場地分析結(jié)束后，將模型的熱分析單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析單元，輸入材料的結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)，將溫度場地分析的結(jié)果加入結(jié)構(gòu)分析單元，最后對模型施加邊界限制條件，加載解決。根據(jù)模擬計算結(jié)果，繪制了渠道展開界面的冷凍膨脹量變化曲線。圖表顯示，采用正確的加熱保溫防滲防凍膨脹渠道比普通保溫板的渠道底部冷凍膨脹量減少46%，消除冷凍膨脹破壞的作用明顯。因此，對于北方寒區(qū)的渠道，如果采用普通襯砌保溫板仍舊不能滿足渠道防凍脹要求的情況下，可以采取精準(zhǔn)加熱保溫防滲防凍脹渠道設(shè)計，以有效保護(hù)渠道襯砌結(jié)構(gòu)免遭凍脹破壞。

4結(jié)語

文中針對北方寒區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)渠道防凍脹要求，以遼寧省喀左縣平房子灌區(qū)東西走向的梯形灌溉渠道典型斷面為例，提出精準(zhǔn)加熱防滲防凍脹渠道設(shè)計，并采用ANSYS有限元軟件對其可行性進(jìn)行了分析計算，主要研究成果如下：1）針對在北方寒區(qū)采用保溫板作為襯砌結(jié)構(gòu)的情況下，部分渠道仍然會發(fā)生凍脹破壞的問題，提出了精準(zhǔn)加熱保溫防滲防凍脹渠道設(shè)計。當(dāng)渠基土發(fā)生凍結(jié)時通過供熱阻止其凍結(jié)，從而實現(xiàn)渠道的防凍脹的精準(zhǔn)化控制。2）通過ANSYS有限元對保溫防滲渠道的模擬發(fā)現(xiàn)，采取精準(zhǔn)加熱保溫防滲防凍脹渠道設(shè)計，以有效保護(hù)渠道襯砌結(jié)構(gòu)免遭凍脹破壞，具有一定的工程實用價值。