混凝土衬砌渠道保温效果的研究

张栋+银英姿+杨宏志

摘要：在北方寒旱区，防渗衬砌渠道面临的难题之一就是冻害，冻胀破坏对水利工程的危害较大，因此刚性衬砌渠道的防冻胀研究是重要的工程技术问题。针对内蒙古自治区季节性冻土地渠道混凝土衬砌严重冻胀破坏现状，提出在该地区渠道混凝土衬砌下面铺设不同厚度的新型保温材料聚氨酯保温板来解决，并在该地区进行了现场试验。通过采用数值模拟的方法，模拟现场各种保温措施工况，并与实际监测得到的数据对比分析，得出该地区阴坡渠道采用6 cm厚的聚氨酯保温板可削减冻胀量12.5 cm，削减冻深35 cm，冻胀削减率达到80%。在满足渠道冻胀原则的情况下，可有效地阻止衬砌体冻胀损坏。不仅解决了渠道衬砌冻胀破坏问题，而且为后续渠道衬砌施工中聚氨酯保温板厚度设计提供了技术支撑。

关键词：混凝土衬砌渠道；保温效果；聚氨酯；数值模拟

中图分类号：TV698.2+6.14 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）04-0745-04

在季节性冻土地区，防渗渠道刚性衬砌材料在冻融循环作用下冻胀破坏严重，每年都需要修复破坏的渠道，这不仅影响了渠道的正常运转，而且花费了大量的人力与财力。20世纪80年代以来，国内一些学者纷纷对此进行了研究，取得了大量的成果，陈涛等[1]通过对大U形渠道进行冻胀机理试验，摸清了渠道衬砌冻胀破坏机理；宋清林等[2]对混凝土衬砌渠道保温防冻胀技术进行了比较试验，提出了混凝土衬砌渠道保温防冻胀最佳结构形式；程满金等[3]提出了在混凝土衬砌下面铺设聚苯乙烯保温板来防冻胀；王正中等[4]、申向东等[5]、石娇等[6]对渠道衬砌冻胀破坏的力学模型进行了探讨；李爽等[7]、王正中等[8]对各种条件下混凝土衬砌渠道冻胀过程进行了数值模拟。虽然在渠道防冻胀方面取得了一系列研究成果，但是目前渠道混凝土衬砌防冻胀保温板厚度的确定还没有成熟的结论，很多地区只是根据大量的冻胀试验及经验来确定保温板的厚度，这往往花费巨大。试验以内蒙古自治区临河地区南边分干渠冻胀试验为例，应用ADINA有限元分析软件，对混凝土衬砌保温渠道工况进行了模拟，并与现场试验监测数据对比，分析了保温材料的保温效果，验证了用软件模拟实际工况的合理性，使后续渠道防冻胀保温设计可以不用进行现场试验而直接使用有限元分析软件模拟来指导现场施工，为渠道衬砌防冻胀保温板厚度的确定提供了一种经济的计算方法，同时总结了聚氨酯保温板应用于刚性衬砌渠道的适用条件，这将对渠道衬砌保温防冻胀技术产生重要推动作用。

3 模拟结果分析

3.1 温度场分析

阴坡渠道基土温度场分布情况见图3。与对比段工况温度场比较，在混凝土衬砌下铺设聚氨酯保温板后，板下温度梯度分布明显变小，且6 cm厚聚氨酯板下温度梯度大于4 cm厚聚氨酯板下的温度梯度，这是由于聚氨酯保温板导热系数小，阻断了冷空气向下部基土的传输，使板下基土温度升高，有效地防止了基土的冻胀。

3.2 位移场分析

阴坡渠道基土法向位移场分布情况见图4。从图4可见，对比段工况下表面冻胀量很大，最大达到16.1 cm；而铺设保温板后，冻胀量明显减小，且6 cm厚聚氨酯工况比4 cm厚聚氨酯工况的冻胀量小。现场各种试验工况下阴坡渠道基土法向最大位移模拟值（软件模拟值）分别是对比段工况16.1 cm、4 cm厚聚氨酯工况5.3 cm、6 cm厚聚氨酯工况3.0 cm，这与表1中实测值基本吻合，最大误差为7%，计算结果基本满足了精度要求。说明阴坡采用6 cm厚的聚氨酯保温板可削减冻胀量12.5 cm，消减冻深35 cm，冻胀削减率达到80%。在遵循渠道冻胀原则“避免、削减、适应一定冻胀量”的前提下，建议该地区阴坡渠道采用6 cm厚聚氨酯板，阳坡渠道聚氨酯板厚度可适当减薄，即可有效地阻止混凝土衬砌体的冻胀破坏。

4 小结

1）不论现场试验还是软件模拟结果，都证明梯形衬砌渠道采用硬质聚氨酯保温板后可以有效地提高襯砌下基土的地温、削减冻胀量，从而可以防止混凝土衬砌冻胀破坏。建议内蒙古自治区临河地区阴坡渠道采用6 cm厚聚氨酯保温板，阳坡渠道的保温板厚度可适当减薄，这样就可以有效地阻止混凝土衬砌渠道的冻胀破坏。

2）试验中ADINA软件模拟的结果与现场实测结果相差不大，可作为渠道衬砌工程抗冻胀设计的参考，建议今后渠道衬砌保温板厚度的设计可以根据软件模拟结果来选择。

3）影响有限元分析结果精度的主要原因是材料力学参数，而目前西北大部分地区的冻土力学参数库还不完善，很多数值模拟中参数选取只是参考资料或凭借经验而定，模拟结果不能反映真实情况，今后力争在这方面做出全面系统的测定。

参考文献：

[1] 陈 涛，王正中，张爱军.大U形渠道冻胀机理试验研究[J].灌溉排水学报，2006，25（2）：8-10.

[2] 宋清林，何武全，李 根，等.混凝土衬砌渠道保温防冻胀技术研究[J].灌溉排水学报，2015，34（4）：43-48.

[3] 程满金，申利刚.聚苯乙烯保温板在衬砌渠道防冻胀中的应用研究[J].灌溉排水学报，2011，30（5）：22-26.

[4] 王正中，李甲林，陈 涛，等.弧底梯形渠道砼衬砌冻胀破坏的力学模型研究[J].农业工程学报，2008，24（1）：18-23.

[5] 申向东，张玉佩，王丽萍.混凝土预制板衬砌梯形断面渠道的冻胀破坏受力分析[J].农业工程学报，2012，28（16）：80-85.

[6] 石 娇，王正中，张丰丽，等.高地下水位弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀断裂破坏力学模型及应用[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2015，43（1）：213-219.

[7] 李 爽，王正中，高兰兰.考虑混凝土衬砌板与冻土接触非线性的渠道冻胀数值模拟[J].水利学报，2014，45（4）：497-503.

[8] 王正中，刘旭东，陈立杰，等.刚性衬砌渠道不同纵缝削减冻胀效果的数值模拟[J].农业工程学报，2009，25（11）：1-7.

[9] 郭利霞，王正中，李甲林.梯形与准梯形渠道冻胀有限元分析[J].节水灌溉，2007（4）：44-47.

[10] 柯洁铭.人工冻土冻胀数值模拟分析[D].南京：南京林业大学，2004.35-36.

[11] 安维东，吴紫汪，马 巍，等.冻土的温度水分应力及其相互作用[M].兰州：兰州大学出版社，1989.191-210.

[12] 王正中，沙际德，蒋允静.正交各向异性冻土与建筑物相互作用的非线性有限元分析[J].土木工程学报，1999（3）：55-60.

[13] 华东水利学院.弹性力学问题的有限元法[M].北京：水利电力出版社，1982.220-227.

[14] GB/T 50600-2010，渠道防渗工程技术规范[S].

[15] SL 23-2006，渠系工程抗冻胀设计规范[S].

[16] 李甲林，王正中.渠道衬砌冻胀破坏力学模型及防冻胀结构[M].北京：中国水利水电出版社，2013.106-140.

[17] 张 洁，徐 伟，钟建驰.润扬长江大桥南锚碇超深基坑围护冻结法施工温度场全过程的数值模拟[J].建筑施工，2004，26（1）：15-17.