1.1設(shè)計(jì)原理
渠道防凍膨脹設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)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(jì)。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(shí)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(shí),通道保溫板通過自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)濕度和溫度的自動(dòng)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(shí),保溫板內(nèi)的電熱線開始工作,溫度上升到設(shè)定值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)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(kuò)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(shí)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(shí)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,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(shí),埋設(shè)在基土中的溫度傳感器發(fā)出信號(hào),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(shí),溫度傳感器將信號(hào)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渠道冷凍膨脹模擬有限元模型
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)平房灌區(qū)物品走向梯形灌溉渠道的典型斷面為例,對(duì)無保溫板、普通保溫板和正確加熱保溫板三種不同情況進(jìn)行冷凍膨脹應(yīng)力瞬態(tài)數(shù)值模擬,對(duì)不同鋪設(shè)條件下的冷凍膨脹變化進(jìn)行比較分析,為正確加熱防凍滲透渠道建設(shè)提供理論支持。
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(duì)于模擬計(jì)算中的地表溫度值,采用截面不同位置的日照遮陽系數(shù)進(jìn)行修改[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(jì)算過程中,渠道溫度場(chǎng)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)土各向連續(xù),各異性均勻,基礎(chǔ)土的熱傳導(dǎo)系數(shù)在各向取得相同的數(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(duì)象,陰坡、陽坡和渠底凍深分別取110cm、65cm和85cm,分別設(shè)置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(jì)算過程中,將渠道混凝土板和基土作為一個(gè)整體進(jìn)行格柵單元?jiǎng)澐郑駯艈卧捎萌切晤愋汀?/p>
3模型計(jì)算結(jié)果分析
3.1溫場(chǎng)分析
在ANSYS有限元軟件中選擇plane35熱分析單元進(jìn)行溫場(chǎng)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)冬季渠道最不利工況下的凍脹變化,研究中選擇最冷的1月氣溫值-15.6℃,利用修正系數(shù)獲得陰坡,陽坡和渠道底部的初始溫度分別為-19.1℃、-15.9℃和-11.5℃,下界溫度為0℃。對(duì)模型四中加熱區(qū)的保溫板,在渠道基土溫度低于-2℃時(shí)施加一定的熱量,當(dāng)渠底的溫度高于5℃時(shí),就停止施加熱量。對(duì)模型的各邊界施加相同的溫度荷載,然后利用模型進(jìn)行瞬態(tài)熱分析,得到模型的溫度場(chǎng)分布特征。通過對(duì)4個(gè)模型的溫度場(chǎng)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),在無保溫板的情況下,渠道的邊坡和底部的溫度變化十分明顯,當(dāng)渠道鋪設(shè)保溫板時(shí),由于保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)比較低,可以有效阻止渠道基土和外界冷空氣的熱交換,能夠有效改變渠道基土的溫度變化,有利于控制和減弱基土的凍結(jié)膨脹。根據(jù)溫度場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果,模型1-模型3的渠道基土溫度隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出單調(diào)下降的特征,隨著外界溫度達(dá)到當(dāng)?shù)氐钠骄畹蜌鉁,渠道基土的溫度首先迅速降低,然后逐步趨于穩(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(duì)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(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn),隨著電熱線的工作,基礎(chǔ)土溫度逐漸上升,最終在25min時(shí)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(chǎng)地分析
溫度場(chǎng)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(chǎng)地分析的結(jié)果加入結(jié)構(gòu)分析單元,最后對(duì)模型施加邊界限制條件,加載解決。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果,繪制了渠道展開界面的冷凍膨脹量變化曲線。由圖可知,采用精準(zhǔn)加熱保溫防滲防凍脹渠道比普通保溫板的渠底凍脹量減少46%,消減凍脹破壞的作用十分明顯。因此,對(duì)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(jì),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(duì)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(jì),并采用ANSYS有限元軟件對(duì)其可行性進(jìn)行了分析計(jì)算,主要研究成果如下:1)針對(duì)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(huì)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(jì)。當(dāng)渠基土發(fā)生凍結(jié)時(shí)通過供熱阻止其凍結(jié),從而實(shí)現(xiàn)渠道的防凍脹的精準(zhǔn)化控制。2)通過ANSYS有限元對(duì)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(jì),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(shí)用價(jià)值。
經(jīng)過以上介紹,我相信大家對(duì)正確的加熱防凍防滲渠道工程設(shè)計(jì)分析也有一定的認(rèn)識(shí)。歡迎登陸建筑網(wǎng),查詢更多相關(guān)信息。
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