季节性冻土区梯形衬砌渠道改扩建基土置换的分析研究

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁 沈阳 110003)

1 工程简介

西拉木伦河一支渠位于洪冲积平原区，系改扩建的梯形断面混凝土防渗渠，全程1.20km，年均设计引水3300万m3，设计流量2.70m3/s，加大设计流量3.50m3/s。该改建工程选用梯形断面，混凝土预制板以及塑膜双防渗构造，塑膜选用0.30mm厚黑色聚乙烯膜，铺设于混凝土板下，膜下分别铺设25～30cm厚风积沙填层。渠道设计简图见图1。

图1 渠道设计简图(单位：cm)

工程区深度15m内基本为粉砂土、粉质壤土、粉质黏土以及黏土，其中粉质黏土较为密实，沿线没有湿陷性黄土。该区地下水埋深较浅，基本含水层在80～130m之间，潜水位大于2.00m，含水层基本以细砂和中砂为主，渗透常数在5.70～8.20m/d之间，富水性强，水力坡度0.78%～1.29%。该区属陆地严寒区，冬季严寒，春秋季短，夏季炎热，光照充足，降水稀少，蒸发强烈，多年平均气温6.70℃；最冷月平均气温-17.20℃，最热月平均气温25.20℃。

2 有限元建模

参考该工程地质特点、地下水埋深以及渠道规模，边坡以50%基土置换，渠底以70%基土置换，理论基土置换厚度在85～115cm。本研究选择无基土置换及基土置换80cm、70cm、60cm、50cm、40cm和30cm实施建模分析。

移位载荷边界条件是，下边界受到X轴和Y轴的双向约朿，Ux=0，Uy=0，冻土两侧受到来自水平向的约束，Ux=0，上边界冻胀自由，不受约束。温度载荷条件取地区最冷月的平均温度，即阳坡取-18℃，渠底取-20℃，阴坡取-22.60℃，下边界则取3℃。混凝土指标参数见表1。

表1 混凝土指标参数

在本研究中，渠基冻土与混凝土衬砌板当作同一整体看待，热解析单元的类型选用plane35。选用软件自动和人工控制结合的方式实现有限元网格划分。无基土置换模型和有限元网络模型见图2和图3。

图2 无基土置换模型

图3 有限元网络模型

3 有限元运算结果及分析

3.1 温度场解析

对各边界施加对应温度载荷之后实施第一步稳定状态热解析，求解可得温度场分布情况。

比对图4和图5可知，无基土置换与存在基土置换的渠道温度场分布状态基本一致，可见温度场的分布状态基本不受基土置换措施的影响。

图4 基于无基土置换的温度场状态

图5 基于30cm基土置换的温度场状态

3.2 移位场解析

热解析结束后，转换单元类型为构造静力学解析，加载移位边界条件，把热解析结果也当作载荷加载到模型，通过系统运算可获得渠道应力场状态和移位场状态。

由图6～图9可以看到，渠道的水平移位量在边坡板内部最大，与客观渠道的破坏方式相符，边坡板中部的破坏最为严重。无基土置换渠道的水平移位量则演变较大，而混凝土渠道实施基土置换后的水平移位量则较为平均，基土置换后能够有效预防阻止渠道由于水平移位引起的破坏，因此，混凝土渠道实施基土置换处理能够显著削减边坡板中部的水平移位，而对底板的影响甚微。

图6 基于30cm基土置换的水平移位场

图7 基于无基土置换的竖向移位场

图8 基于30cm基土置换的竖向移位场

图9 水平移位量

图10～图12揭示，渠道在实施基土置换后，不管是底板、阳坡板还是阴坡板，竖直方向的冻胀都发生了显著的削减。冻胀力与冻结锋面基本垂直。阳坡板冻胀量偏小于阴坡板冻胀量。可见实施基土置换处治后，有效地降低了竖直方向上的渠道冻胀破坏应力。

图10 基土置换前后阴坡板冻胀分布状态

图11 基土置换前后阳坡板冻胀分布状态

图12 基土置换前后底板冻胀分布状态

3.3 应力场解析

由图13～图16可以看到，混凝土渠道实施基土置换处理后，不管是竖直方向还是水平方向，其应力都得到了削减。渠道底板两侧、阴阳两坡坡顶均发生了应力集中现象。

图13 竖直方向基于无基土置换的应力状态

图14 竖直方向基于30cm基土置换的应力状态

图15 竖直方向基于无基土置换的应力状态

图16 竖直方向基于基土置换的应力状态

4 基土置换的优化深度

通过有限元解析，得出基于基土置换深度20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm的不同基土置换深度下的冻胀量(见表2)。

表2 基于基土置换深度的不同冻胀量 单位：mm

由表2可以看到，随着基土置换深度的加大，混凝土渠道的冻胀量渐渐降低，只是降低的幅度在收窄。从前面的应力场解析可知，梯形渠道的冻胀破坏基本出现在阴坡下部，当基土置换80cm时，渠道各个部分的冻胀移位量趋于一定值，即各个部位上的移位值大致相等。因此基土置换80cm不但能够大大降低冻胀量，还能够避免渠道出现不够均匀的沉降与抬升。因此，假如不考虑经济要素，理论上最优的基土置换深度应在80cm。

工程所在地区的平均地下水埋深为3.5m，基本冻深为1.20m，选择有代表性的一个断面进行抗冻胀计算，结果见表3。

表3 冻深设计计算

计算所得渠床基土置换深度见表4。

表4 渠床基土置换深度计算

通常边坡基土按50%置换，渠底按70%置换。结合已完工支渠的垫层厚度以及本地区工程经验，案例工程将渠底置换选择为30cm，边坡置换选择为25～30cm。工程渠底选用8cm C20混凝土预制板砌铺，板下填充风积沙垫层30cm厚，边坡铺以6～8cm C20混凝土预制板，板下填充风积沙垫层25～30cm厚，基本上满足抗冻胀功能需要。

5 基土置换原材料的优化择取

工程所在地区的主要基土置换材料，除了砂砾石还有风积沙(基本参数见表5)。将风积沙各项参数输入ANSYS有限元分析系统，将获得的运算结果与砂砾石的对应计算结果互为比较(见表6)。

表5 风积沙基本参数

表6 基于风积沙与砂砾石置换下的冻胀比较

经过比较能够看到，风积沙基土置换效果要稍好于砂砾石基土置换的效果，但二者的差距并不很大。因此在实际工程中，尽可能就近取材，两类材料以近取之，以节省工程运费。

6 结 语

本文借助ANSYS专业有限元模拟分析系统，围绕季节性冻土区梯形衬砌渠道的温度场、移位场、应力场、基土改扩建置换的优化深度以及原材料的优化择取课题开展专题分析探究。

对季节性冻土区梯形衬砌渠道的温度场、移位场和应力场进行了有限元计算分析；开展了基土不同深度置换下的同冻胀量变化计算；对基于风积沙与砂砾石置换下的冻胀量差异进行了比较。模拟计算证实，渠道温度场分布基本不受有无基土置换的影响；渠道基土置换后的水平移位量较为平均，而无基土置换渠道的水平移位量则演变较大，不够均匀，渠道基土置换能够显著削减边坡板中部的水平移位，而对底板的影响甚微；混凝土渠道实施基土置换处理后，不管水平方向应力还是竖直方向应力都得到了削减，但无法改变阴阳两坡坡顶、渠道底板两侧均发生应力集中的现象；风积沙基土置换效果要稍好于砂砾石基土置换的效果，但二者的差距并不很大，在实际工程中，尽可能就近取材，以节省工程运费。