灌区梯形渠道EPS保温板非等厚铺设抗冻胀数值模拟分析

(甘肃省疏勒河流域水资源管理局，甘肃 玉门 735211)

随着我国经济的快速发展，农业技术的不断革新，节水灌溉措施已经成为农业发展的主流[1]。为了减少灌溉渠道输水过程中的渗漏损失，我国大灌区对于现状渠道都进行了混凝土衬砌，以达到节水减漏、防冲护坡、改善水流条件、提高工程耐久性的效果。但是大量的工程实践表明，季节性冻土区渠道，经过长期运行，由于渗漏以及地下水位的影响，在温度梯形的影响下，使得其水分不断向衬砌底部迁移，从而造成了大部分灌溉渠道发生冻胀破坏，轻者混凝土衬砌板表面出现裂缝或局部鼓起，重者大范围衬砌板坍塌滑坡造成渠道不能正常输水，从而严重影响到灌区的正常运行。因此，隔断混凝土衬砌表层与土体之间的温差显得尤为重要[2-4]。目前，渠道保温主要采用保温法，即在护坡下设置EPS保温板，以削减渠基土冻胀，但是，目前都是采用全断面均布铺设EPS苯板的方法，这种方法不仅造价较高，而且未考虑到由于渠道走向不同部位不同，其冻胀强度也不同的外部条件，从而造成了工程费用不必要的浪费，因此，按照外部条件，对渠道采取保温措施势在必行[4-10]。

本研究利用有限元软件ADINA，以甘肃靖会灌区干渠弧底梯形渠道为研究对象，对特定时间段内铺设EPS保温板，均布铺设EPS保温板和根据渠底、阴坡以及阳坡不均布EPS保温板三种状态下温度场进行了数值模拟仿真计算，分析出三种状态下其温度的变化规律，从而得出一种经济上节约、工程上可行的方法，为未来季节性冻土区灌区抗冻胀措施提供更加科学的理论依据。

1 EPS保温板设计原则

1.1 基本资料获取

甘肃靖会灌区位于甘肃省白银市靖远县南部，灌区北起靖远城西，黄河右岸，南至会宁县城，东至靖远县三场塬和会宁县百草塬，西至会宁县头寨镇。根据实地调查，渠基土主要为冻胀较敏感粉质黏土土层，冬季平均气温-8℃，风向以西北风为主，平均风速2～3级。

1.2 EPS保温板厚度设计

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL 23—2006)，EPS保温板厚度设计与工程所在地设计冻深、年季变化频率、日照及遮阴程度、地下水埋深等因素有关。计算公式如下：

(1)

Zd=φfφdφwZk

(2)

式中Zd——设计冻深，m；

Zk——标准冻深，m；应采用邻近工程地点气温条件的气象台(站)观测系列不短于10年最大冻深平均值；

φf——冻深年际变化的频率模比系数，可根据标准冻深值查标准冻深与频率模比系数关系曲线获得，1、2、3级建筑物按频率5%，4、5级建筑物按频率为20%查取；

φd——日照及遮阴程度影响系数，主要根据建筑物的朝向及冻深进行修正；

φω——地下水影响系数，可根据地下水埋深和地基土质类型进行计算得到。

根据经验公式，EPS保温板厚度一般取设计冻深的1/10～1/15即可满足工程得实际要求。

2 有限元模型建立

2.1 工程的基本资料及有限元模型的建立

甘肃靖会总干渠弧底梯形渠道(见图1)底板长381cm，弧底半径324cm，阴坡板长350cm，阳坡板长350cm，阴阳坡竖直高度为194cm，阴阳坡比均为1∶1.5，混凝土衬砌板厚10cm。渠道原型参数见表1。

图1 甘肃靖会总干渠弧底梯形渠道断面 (单位：cm)

表1 渠道原型参数

弧底梯形渠道有限元模型见图2。

图2 弧底梯形渠道有限元模型

以渠道各部位月平均表面温度最大值作为有限元模型衬砌表面各部位边界温度(见表2)。下边界温度取为10℃，左右边界绝热。

表2 渠道各部位的月平均温度和冻结期

2.2 有关参数选取

根据冻土物理学中冻土本构的热传导方程，温度场计算仅与导热系数有关，这里取土壤冻结时导热系数λf=1.987W/(m·℃)。为了简化数值模拟模型，本文假设冻土为横观各向同性体，它的弹性模量随着温度的变化而变化，冻土的弹性模量按参考文献[8]选取，泊松比μ=0.33。材料物理力学参数见表3。

表3 材料的力学参数

2.3 EPS保温板厚度范围计算及渠道各部位保温板厚度选取

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》(SL 23—2006),渠道保温板厚度根据式(1)计算，其中模型各部位EPS保温板设计厚度见表4。

表4 EPS保温板厚度计算

3 数值模拟结果分析

3.1 温度场模拟

利用有限元软件ADINA中的ADINA-T模块对不铺设EPS保温板时的渠道温度场、均匀铺设8cm厚EPS保温板时的渠道温度场以及根据冻深计算不等厚铺设EPS保温板时的渠道温度场进行数值模拟分析。不同铺设方式下渠道温度场分布云图见图3。

从图3(a)中可以看出，未铺设EPS保温板时，整个渠基的基土层内存在着大量的负温层，这些负温层的存在导致水分不断向渠道衬砌板底部迁移造成衬砌板的冻胀破坏，从而影响渠道的正常使用。图3(b)为均布铺设EPS保温板时的渠道温度场分布云图，与图3(a)相比，铺设保温板后不仅减少了衬砌板表面负温向渠基土层的传递，而且使整个渠基土层维持在正温，从而阻止了渠道衬砌板因渠基土层发生冻胀而造成衬砌脱落、破坏。但是使用均布铺设保温板的工法并没有因地制宜根据渠道阴坡、渠底以及阳坡的冻深不同合理选择选择保温板的厚度，达到保温的效果。因为均布铺设保温板时，若冻深小的部位依旧铺设相同厚度EPS保温板，势必会造成材料的浪费，提高工程投资。图3(c)为根据设计冻深选择合理保温板厚度渠道的温度场分布云图，与图3(b)相比，两种工况下渠基温度场分布相同，均达到了预期保温的效果。

图3 不同工况下渠道温度场云图

3.2 数值模拟结果分析

选取渠道阳坡边缘处，渠道底部中心点处、渠道阴坡边缘处和渠道EPS保温板底部四个位置作为比较点，对不同工况下温度场模拟结果温度T与深度Z及温度T与渠道横断面宽度Y的变化趋势进行对比分析。

3.2.1 不同工况下渠道阳坡温度T与深度Z变化规律分析

图4为渠道阳坡边缘处不同工况下温度T与深度Z变化，从中曲线可以看出：不铺设EPS保温板时渠道阳坡边缘最低温度是-3.5℃；均布铺设8cm厚的EPS保温板时渠道阳坡边缘的最低温度是2℃，渠基温度提高了5.5℃；按照冻深不等厚铺设保温板时温度渠道阳坡边缘最低温度是1.5℃，与均布铺设保温板时基本上达到了相同的效果。

图4 三种情况下渠道阳坡边缘处T-Z曲线

3.2.2 不同工况下渠底中心处温度T与深度Z变化规律分析

图5为渠道底部中心点处不同工况下T-Z曲线，从中可以看出：不铺设保温板时渠道中心点处最低温度是-4.2℃； 均布铺设8cm厚的保温板温度呈线性递增，在保温板底部就达到了正温，其温度为4.8℃；按照设计冻深非等厚铺设保温板时渠道底部最低温度从-4℃递增至4.5℃；而且均呈现较大的线性递增方式。

图5 三种情况下渠道底部中心点处T-Z曲线

3.2.3 不同工况下渠道阴坡温度T随着深度Z变化规律分析

图6为三种工况下渠道阴坡边缘处温度T随深度Z的变化曲线。从图6中可以看出：不铺设保温板时渠道阴坡边缘最低温度为-4.6℃；均布铺设8cm厚的保温板渠道阴坡边缘的最低温度是1.4℃，渠道阴坡边缘温度比不铺设保温板时提高了6℃；按照不同渠道部位铺设不等厚保温板时温度渠道阴坡边缘最低温度是1.2℃，温度比不铺设保温板时提高了5.8℃，比均布铺设保温板时低了0.2℃。因为阴坡日照时间短而且冻结深度较大，从以上分析可以看出变厚度铺设保温板时其温升比均布铺设时温度低了0.2℃，但已经达到了保温的效果，保温效果显著。

图6 三种情况下渠道阴坡边缘处T-Z曲线

3.2.4 不同工况下渠道温度T与渠道横断面宽度Y的变化趋势分析

从图7中可以看出：随均布铺设和不等厚铺设时最高温度都在渠道底部中心点，分别为6℃和5.3℃，渠道在不等厚铺设保温板状况下仍达到了均布铺设的效果，虽然两者温升存在着差异，但是为了达到经济上节约、工程上可行的目的，不等厚铺设保温板的优点远大于等厚铺设，是一种工程上可行、经济上合理的工程方法。

图7 两种保温板铺设方式下保温板底部T-Y曲线

4 经济分析

a.普通保温板造价为100元/m2，均布铺设8cm保温板时其整个断面所需的保温板的面积为：

S总=S阴坡+S渠底+S阳坡=0.28+0.32+0.28

=0.88m2

其造价为

T=S总×100=88元

总干渠长度为178.85km，对于整个干渠来说其均布铺设所需的造价为

H=T×178850=15738.8万元

b.根据阴坡、渠底、阳坡铺设不同厚度铺设保温板时其总面积为

=0.66m2

其造价为

元

整个渠道总造价为

H′=T′×178850=11804.1万元

与均布铺设相比整个干渠节省工程造价为3934.40万元。

5 结 语

本研究利用有限元软件ADINA，以甘肃靖会灌区干渠弧底梯形渠道为研究对象，对特定的时间段内的铺设EPS保温板，均布铺设EPS保温板和根据渠底、阴坡以及阳坡不均布EPS保温板三种状态下的温度场进行了数值模拟仿真计算。结果表明：根据渠道阴坡、阳坡以及渠道不同设计冻深选取相应厚度的EPS保温板，不仅能达到抗冻胀的效果，而且节省了材料，降低了整个工程的造价，是一种简单可行的工程措施。