冬季渠道防冻胀聚苯乙烯保温技术状态分析

毛 照，王学智

(江西省水利水电建设有限公司，南昌 330000)

1 案例渠道概况及模型参数

1.1 案例渠道概况

本研究案例渠道位于某河流域中游，该渠道即便在气温较低的冬季亦能正常输水应用。渠道总长4.153 km，两侧边坡坡度值1∶1.5，纵坡坡度值1/1 400，渠底宽3 m、深度4.5 m，混凝土厚度基本保持在0.15 m左右。

该输水渠道表面主要由两种材料堆砌而成：一是C15混凝土；二是浆砌卵石。由于多年冬季输水运行，导致多数渠段遭受严重损坏。案例输水渠道局部冻胀损坏状态见图1。

图1 案例输水渠道局部冻胀损坏

1.2 渠道模型和参数选择应用

在本研究中，通过案例工程的深度剖析，决定分别对输水和停水这两种渠道进行全面且有效地模拟分析，同时将非冻土层、冻土层和混凝土砌衬板看作是不可分割的整体。模型构建详见图2及图3。渠道基土是透水性较好的粉质壤土，渠道所在地的地下水深超过4 m，但地下水影响在输水渠道冻胀时可直接忽略，可将总渠道冻胀视为封闭式冻结系统。

图2 停水渠道模型(单位：cm)

图3 输水渠道模型(单位：cm)

两种计算模型均以实体工程规格为依托，唯一不同在于输水渠道水体加深了2 m。两种模型的规格参数具体如下：渠道深4.5 m，渠顶部长3 m，Ⅰ区冻土部分、Ⅱ区未冻土部分和Ⅲ区深层土体部分的深度值分别为1.6、4.9及5.5 m。从渠顶到Ⅲ区底部的总深度为12 m。由于本工程实测数据不充分，只能参考同类工程的相关数据信息，并以此作为模型参数设置的重要依据。查阅《冻土物理学》后进一步得知，若渠底和渠坡中部的含水量分别为30%和20%，可将其导热参数分别定义为分别是0.57 W及1.10/(m·℃)，之后依照垂向部位坐标插值确定出其他部位的导热常数，冻土的冻胀常数为α=-η/t(1/℃)，实际上是负的热膨胀常数。混凝土和渠道Ⅱ区未冻土的导热常数分别为1.54和0.78 W/(m·℃)，正常情况下，地表5 m深度下的未冻土导热常数会很大。出于深度方面的考量，将Ⅲ区未冻土体看作是导热常数较大的深层土，并将其值设定为λb=4.7 W/(m·℃)。渠道上下边界的温度分别设定为10℃和11℃，在渠道水温基本平稳的情况下，温度演变介于0.5～1.7℃区间。在本研究中，将渠内水温拟定为1℃，此时因为不会结冰，也就不会形成冰压力。渠道两侧边界只对X方向施压，底部则同时对X及Y方向施压。冻土的物理力学参数见表1，渠道土体和其他材料物理力学参数见表2。

表1 冻土主要技术参数 /MPa

表2 渠道材料和土体力学技术参数

2 冻胀渠道模型与模拟系统介绍

2.1 渠道冻胀模型

2.1.1 土体热传导计算方程

当大气温度达到冰点以下后，潜藏在土壤中的水分才会发生相变与迁移，从而使壤温出现明显变化。由于渠道是典型的细长构造，因此可将其看作是一个简单的2D平面构造，并在此基础上进行渠道整体热传导研究。根据现有理论确定出与渠道冻胀更匹配的二维热传导方程，即：

(1)

2.1.2 冻胀渠道本构计算方程

在大气温度持续下降的情况下，渠基土中的水分就会发生相变，由液态逐渐演变成为晶体状态，同时会使大量水分聚集于冻结锋面处和以上部位，造成土体体积增大，从而出现宏观冻胀性移位现象。砌衬层与土体间的摩阻会对渠基土冻胀产生直接影响，并且渠道中水压力受外力约束，也就会因温度演变形成明显的应力与应变。假设基土中各点均为各向同性体，而且完全自由，在温度低于冻结温度时，各方向上会形成同等正应变，即剪应变数值为零。结合理论研究，只要确定出不同工况下的热传导方程和应力场方程，就能直接推导出温度及应力两场耦合值。

渠道静力平衡计算方程：

Lσ=0

(2)

几何渠道计算方程：

ε=Lu

(3)

其中：

(4)

基于温度的渠道本构方程为：

1）#1、#2、#3接地变及#1、#2站用变保护装置面板无异常信号，采样正常（接地变的三相电流均为0），一次设备运行正常；

(5)

式中：γxy、γyz、γzx为剪应变；εx、εy、εz为正应变；τxy、τyz、τzx为剪应力；σx、σy、σz为正应力；α为冻土自由冻胀常数或者混凝土的线膨胀常数；E为弹塑性模量；u为线移位；μ为泊松比；ΔT为温差。

2.2 数理模拟应用系统

业界经常应用的数理模拟系统，使用频率最高的当属ANSYS、ABAQUS等系统。经多方面考虑与分析后，本研究决定采用ANSYS系统进行数理模拟。目前，此系统已凭借自身强大的功能优势在热力、航空等领域实现了规模化普及与广泛应用。

3 输水渠道冬季防冻胀聚苯乙烯保温措施数理模拟

大部分情况下，渠道所用聚苯乙烯保温板厚度为冻深的1/10～1/15，所以案例输水渠道保温板合理厚度介于11～16 cm范围内。出于现实工程参考需要，本研究不同模型的冬季输水渠道聚苯乙烯保温板板厚取值具体见表3。

表3 不同模型的冬季输水渠道聚苯乙烯保温板板厚取值 /cm

3.1 基于防冻胀保温板新式构造的冻深和温度场分析

见图4。

图4 基于防冻胀保温板新式构造的冻深和温度场分析

通过图4数据分析得知，在没有采取任何保温措施的情况下，偏坡板后渠冻深最高达到160 cm，在此部位铺设不同厚度的聚苯乙烯保温板后，其基土温度明显升高，尤其是水面以上的基土温度升高最显著，但水面以下的土体温度几乎无变化。通过模拟分析发现，此部分温度分布相对比较均匀，均处于正温状态。另外，新式保温防冻胀构造的性能优势较为显著。在没有采取任何保温措施的情况下，渠道冻深最高达到160 cm，而覆盖厚8 cm的保温板后冻深快速降为111 cm，其降比率高达30.63%，这也说明这种构造的保温性能可靠，进而能将偏坡板后渠基土的温度控制在合理范围之内。通过表4数据分析进一步发现，并非保温板厚度越大，冻深下降的速率就越快，反而出现先快后慢的现象，因此要从中选取最优的保温板厚度。在现实工程中，假如能确定出最优厚度，既能减少材料费用，还能合理控制人工成本。

表4 渠道偏坡板后各模型渠基土冻深状态 /cm

3.2 基于防冻胀保温板新式构造的砌衬板上应力分析

见图5。

图5 混凝土砌衬板上基于保温板不同厚度的应力状态

通过图5数据分析发现，即便不采用新型防冻胀构造，冬季输水渠道的最大应力仍聚集于水面、空气和混凝土砌衬板交界处，最小应力则聚集于水面以下。

通过图6数据分析发现，渠道应力降幅会随着聚苯乙烯保温板厚度的不断增加而相应地减小。相较于无保温措施，新式保温板改善冻胀应力的性能优势更为显著。铺设厚8 cm的保温板时，砌衬板上最大冻胀应力会迅速下降48.23%。因此，将新式保温板应用于冬季输水渠道工程中，可使混凝土砌衬板上应力快速下降，从而避免混凝土砌衬层被破坏。通过数据分析也得知，并非铺设越厚的保温板，达到的效果就越理想，同样也需要从中确定出一个最优保温板厚度，以确保混凝土砌衬板上的应力值能降到预期范围。

3.3 基于防冻胀保温板新式构造的砌衬板上移位分析

见图7。

图6 砌衬板上基于保温板不同厚度的应力态势曲线

图7 混凝土砌衬层上基于保温板不同厚度的移位分布

通过上图7数据分析得知，新式防冻胀构造能避免大幅度冻胀移位现象的发生，铺设不同厚度的保温板，达到的移位控制效果明显不同。正常情况下，保温板厚度越大，混凝土砌衬层上移位就越显著，但水面以下则不会出现移位。

由图8可知，在未采取任何防冻胀措施的情况下，冻胀移位最高达到3.23 cm，而加施厚8 cm的保温板后则迅速降至1.54 cm，冻胀量削减52.32%，由此说明苯乙烯保温板能有效控制冻胀移位。另外，由于无需在水面以下铺设保温板，也就大大降低了工程造价。通过实验模拟分析发现，选用厚14 cm保温板时冬季输水渠道移位最高仅为1 cm，而且梯形渠道法向容许移位也被控制在0.5～1.0 cm，因此在本工程中选用14 cm保温板可满足现实需求。

图8 砌衬板上基于保温板不同厚度的移位态势曲线

4 结 语

本研究借助ANSYS工程模拟计算系统开展专题数理模拟计算，探究聚苯乙烯保温技术渠道冬季防冻工程应用条件下的冻深与温度场、砌衬板上应力与应变的基本技术状态规律。主要结论如下：①基于防冻胀保温板新式构造的冻深和温度场分析揭示，覆盖厚8 cm的保温板后冻深降比可达30.63%，但冻深下降的速率并非与保温板厚度始终正相关；②基于防冻胀保温板新式构造的砌衬板上应力分析揭示，渠道应力降幅会随着聚苯乙烯保温板厚度的不断增加而相应地减小，铺设厚8 cm的保温板时，砌衬板上最大冻胀应力会迅速下降48.23%；③基于防冻胀保温板新式构造的砌衬板上移位分析揭示，选用厚14 cm保温板时冬季输水渠道移位最高仅为1 cm，而且梯形渠道法向容许移位也被控制在0.5～1.0 cm，因此在案例工程中选用14 cm保温板可满足现实需求。