基于有限元分析的高地下水位砼衬砌渠道冻胀损坏断裂研究

邹志华

摘 要：在地下水水位比较高的地方，容易发生渠道冻胀的现象，因此在建造实施水利工程项目时，首先要克服渠道冻胀损坏的难点。在借鉴已有理论如冻土冻土力学、三场耦合、材料力学、弹性力学、渗流等理论之后，本研究分析了渠道基土冻胀以及衬砌结构，并构建了渠道砼衬砌冻胀损坏力学模型以及冻土的弹性本构模型，利用模型模拟来冻胀过程中三场耦合的数据，最后得到新型的防冻胀结构来预防渠道的冻害发生。

关键词：砼衬砌渠道 高地下水位 冻胀损坏断裂 数据模拟

1、构建力学模型

跟普通梯形渠道比较，弧底梯形混凝土衬砌渠道的结构具有整體性强的特点，渠道衬砌板因冻胀出现损坏的可能性随着渠底的法向冻胀力减小而减小；渠道混凝土衬砌底板及边坡板和梯形渠道衬砌体发生损坏的特点相似，在受到重力、冻结力、冻胀力、底板与坡板约束力等复杂的相互作用肌理下，就会发生损坏。对渠道底板来说，冻胀力会使底板上抬，在坡板的约束下，由于发生冻胀变形会出现中间大两边小的特点，因此会在中间出现弯曲甚至折断的现象。

2、模拟有限元的数据

考虑到原型渠道的现实条件，本研究以冻深作为边界选取有限元模型。具体数据为：阳坡边界的法向冻深为十厘米，渠顶距衬砌板的宽度设为十厘米，另外，阴坡边界的法向冻深为八十厘米，渠顶距衬砌板的宽度设为八十厘米。在渠底到衬砌的距离从法向八十厘米，到渠底法向六十厘米，最后减少到四十七厘米。模拟有限元的数据时把衬砌板和冻土看做一个整体，并利用映射网格划分的方法来形成图元，最后划分模型的有限元单元，划分的结果如下，节点共836个。

3、分析数据和结果

当渠基土发生冻胀时，会收到土质、衬砌体刚度、温度、水分状况等各项因子的干扰，因此进行数据模拟时往往不够精准，所以模拟之前应当简化各项因素，采取合适的假设，以便更快地找到渠道发生冻胀受力、变形的规律性。

3.1计算流程

3.1.1热分析边界条件并计算温度场

在热分析单元类型中选择较为合适的，选择原型渠道各个区域每个月平均表面温度里面12月份的温度，做为热边界条件的上边界条件，在两侧渠顶以及混凝土衬砌体的表面施加该温度；将下边界的冻结温度取值零度，范围就是冻深[11-13]。

3.1.2计算应力场和位移场

计算完热分析后，将单元类型转换成结构静力分析，设定位移边界条件：在冻土两边的竖直段受到Y向的水平约束（uY=0），在冻土的下边界，除了两边的斜坡段受到Y向和Z向的双约束（uY=0，uZ=0）外，其它的均受到Z向的垂直约束（uZ=0）；此外，上边界发生的自由冻胀则没有收到任何约束。在采用ADINA软件来分析位移场和应力场时，加在模型上的荷载采用的是热分析的数据。

3.2分析得出的计算结果

3.2.1位移场

从下图可知，冻胀力的影响使得弧底梯形渠道变位最大的情况发生在阴坡，阳坡第二，变位最小的是渠底，模拟的结果和实际工程的情况相吻合。而坡脚处突变的情况不作用在渠底，使得基土冻胀受到衬砌板约束的情况好转，冻胀变形发生的方向以及大小夜呈现出连续的状态，冻胀量的分布相对均匀。根据以上的计算结果，得到沿衬砌板长方向上的的冻胀量情况如下图。从图中可以看出，阳坡的最大冻胀量是3.6cm，阴坡的最大冻胀量是4.1cm，渠底的最大冻胀量是2.7cm，和实际工程的情况相一致，误差不超过百分之五，数据具有精确性。

3.2.2温度场

下图为模拟后得出的温度等值线，从图中可知，渠道会受到东西走向的干扰，导致阳坡和阴坡的温度存在较大的差别，阳坡的温度梯度比阴坡的要小，而各坡的温度分布规律相一致，冻深的分布状况也具有相似性。

4、结论

在有限元理论的基础上，将实际渠道作为研究对象构建起简化的应力场、温度场、位移场耦合模型，模拟这三者对渠道冻胀影响的程度数据，该模型可以科学、准确地反映出混凝土衬砌渠道冻胀在应力场、温度场、位移场中变化的情况，该模型可应用到各种实际工程中，方法简捷、操作简单，在渠道的抗冻胀工程设计里也可以广泛应用。

参考文献

[1] 李远华.节水灌溉理论与技术[M].武汉：武汉水利电力大学出版社，1999.1.

[2] 张玉欣，吴涤非.水资源合理利用与节水灌溉[J].节水灌溉，2002，（4）：24-26.

[3] 秦为耀.节水灌溉技术[M].北京：中国水利水电出版社，2000.1.