挤塑聚苯板对混凝土衬砌渠道防冻性能的影响

余 勇

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830001)

中国兴建了大量水利工程，但灌溉渠道利用率仅为55%左右，渠道的输水损失主要包括水面蒸发、漏水和渗水损失，其中渗水损失约占总损失量的80%[1-2]。农业输水灌渠的主要是混凝土衬砌渠道，北方季节性冻土区渠基土冻胀破坏极为广泛，灌渠渗水现象较为严重[3]。因此，渠道冻胀防治是提高灌溉水利用率的有效措施。国内外学者针对灌渠冻胀破坏问题做了大量研究，赵彦琳[4]通过试验观测了随温度改变土体冻胀量和冻胀力的变化趋势，按瞬态模式对模型施加温度荷载，发现玻璃钢衬砌渠道稳定性和整体性较强；吉晔[5]将冻土视为横观各向同性线弹性材料，对东港地区渠道的冻胀破坏进行了详细分析。刘群昌[6]选用柔性增强涂层与沥青混凝土两种抗冻材料，建立了渠道模型对混凝土衬砌进行研究，发现这种新型抗冻形式适宜推广应用。文章以甘肃省疏勒河灌区干渠为对象，对挤塑聚苯板在混凝土衬砌渠道冻胀防治中的应用进行了研究，以期为渠道防渗抗冻设计提供参考。

1 研究方法

1.1 模型的建立

疏勒河灌区位于季节性冻土区，渠基土的冻融循环致使灌渠无法正常输水。干渠渠道渠底宽1900 mm，坡长9000 mm，边坡比为1∶3，左右水平边界均为800 mm。在衬砌板连接处、坡脚处选取三条观测线。为探明铺设苯板对渠道冻深的影响，利用有限元分析法对渠道位移场和瞬态温度场进行数值模拟，将未铺设苯板和铺设苯板的渠道模型分别作为空白组和试验组。干渠混凝土衬砌板材料为C25混凝土，渠基土样平均密度为1826 kg/m3，相关参数如表 1 所示。

表1 渠道结构相关参数

渠道模型左右边界设为绝热条件，上边界选用日最低气温-时间函数作为温度荷载，下边界深度足够达到稳定温度，取值为12 ℃。当外界环境温度为年最低气温时，下边界可视为常年温度不变层，渠基深度为3 m和10 m模型温度曲线近乎重合。深度为10 m模型冻深为44.51 cm，深度为3 m模型冻深为44.47 cm，相差仅0.04 m，表明模型计算结果已稳定。苯板铺设在混凝土衬砌板下方，且衬砌体与渠基土之间无接触。复合衬砌施工过程中，基础层选用中粗砂垫层，混凝土直接浇筑在土工膜。文章主要对苯板的保温作用进行研究，建模时仅输入C25混凝土衬砌板、苯板和渠基土三种材料参数。根据实地气候和冻深延迟作用，推测冻深应介于50～120 cm之间，网格采用上密下疏的划分模式，单元选用PLANE55平面单元，共1213个单元，685个节点。

1.2 模型参数选取

假定渠基土为弹性材料，由于淤泥质粉质黏土的泊松比、弹性模量与温度呈线性关系。灌区渠基土泊松比及弹性模量随温度的变化情况，如图 1 所示。将冻土的统一冻胀系数作为负膨胀系数，渠基土冻结温度接近于0 ℃，混凝土衬砌板线膨胀系数为1.1×10-5，泊松比为0.152，弹性模量为27 500 MPa；苯板的泊松比为0，线膨胀系数取0.04。

图1 渠基土泊松比及弹性模量随温度的变化曲线

2 结果与分析

2.1 渠道冻深计算与分析

空白组瞬态温度场计算结果如图2所示，最低环境温度出现在230 d，平均冻结深度约为44.91 cm；随时间变化，渠道平均最大冻结深度大约为64.15 cm。可见对于环境温度而言，冻结深度的发展存在滞后效应，随气温变化渠基土表现为中间温度低于0 ℃，上部和下部温度大于0 ℃。渠基土上边界温度变化与环境温度变化的曲线大致吻合，外部环境温度变化使得空白组渠基土发生冻融循环，在冻融和渗漏的交替作用下，产生裂缝的衬砌板极易加剧冻胀损害。

图2 空白组冻深随时间的变化曲线

试验组组渠道模型瞬态温度场计算结果，如图 3 所示，环境温度为-20 ℃时，试验组1(图3a)、试验组2(图3b)、试验组3(图3c)，即铺设1 cm、3 cm、5 cm苯板渠道模型的平均冻结深度分别为31.65 cm、10.99 cm、0.24 cm，相对于空白组渠道模型冻结深度分别减小了13.25 cm、33.90 cm和44.65 cm。低气温条件下，铺设 1 cm、3 cm、5 cm苯板渠道平均1 cm苯板冻结深度减小量分别为13.25 cm、11.30 cm和8.93 cm，1 cm的苯板平均减少冻深为11.16 cm。

图3 试验组冻深随时间的变化曲线

试验组1渠道模型三组观测线所对应的最大冻结深度分别为38.23 cm、57.30 cm和48.29 cm，对应的最大平均冻结深度为47.95 cm，相较于空白组渠道模型冻结深度减少了16.21 cm。试验组2渠道模型三组观测线所对应的最大冻结深度分别为13.55 cm、29.95 cm和21.26 cm，最大平均冻结深度为21.58 cm，相较于空白组渠道模型冻结深度减少了42.57 cm。试验组3中对应的最大平均冻结深度为3.30 cm，相较于空白组渠道模型冻结深度减少了60.86 cm。在年最低气温条件下，三组观测线中观察线2所对应的冻结深度均为最大值。最大冻结深度下每 1 cm苯板平均减少冻结深度为14.19 cm，依据文献[6]说明瞬态温度场结果较为可靠。

综合年最低温度和年最大冻结深度下苯板对冻深减弱效果的试验结果，随着苯板铺设厚度的增加，对冻深减弱的效果随之降低。选用合理厚度的苯板可以有效节约成本，疏勒河灌区使用5 cm和7 cm苯板模型的保温效果相差较小。相对于仅选取年最低气温时的冻结深度，整年的冻深观测更为准确，而且苯板对渠基的保温效果可延迟渠基土负温的产生，持续观测1 a的试验数据中苯板的作用效果更为显著。三组试验组渠基土上边界最低温度分别为-12.357 ℃、-5.424 ℃和-1.573 ℃，边界最低温度相对于空白组分别延迟了16 d、31 d和39 d。主要是因为苯板具有低导热系数特性，传热速率极慢，渠基负温时间明显延后，苯板达到一定厚度时，即使环境温度持续处于负温状态中，渠基土在该阶段也不出现负温。从比较中可以看出，随着苯板在渠道中铺设厚度的增加，苯板对渠道基底土负温的延迟效应逐渐减小。铺设苯板后，0 ℃以下的天数逐渐减少，选择5 cm苯板时，渠道的防冻效果最好。与空白组相比，铺设苯板能有效地提高渠道地基的温度，防止冷空气进入土体，并通过环境温度的影响大大降低了内部温度。

图4 渠基土上边界温度随时间的变化曲线

2.2 渠道冻胀计算与分析

渠道对称轴右侧冻胀量计算结果如图5所示，可见，渠道底部的冻胀量最大，其次是渠道边坡水平边界与上边界的连接处。由于该点受到两个方向的低温荷载作用，冻胀量较大。结合温度场计算结果，水平边界、渠道边坡和渠道底部的冻胀率分别为3.76%、4.18%和6.84%，平均冻胀率约为4.93%。与室内计算结果相比，绝对误差为0.178%，满足工程精度要求。由于混凝土衬砌板强度高、自重大，对渠基土冻胀有明显的的抑制作用。由于与外界环境直接接触，渠坡水平右边界位置承受多个方向的温度荷载，同时一定程度上混凝土衬砌板有着显著的保温效果，冻胀量必然大于其他坡面位置，由于斜坡面和水平坡面为两个整体，连接缝隙处基土冻胀量得以释放。

图5 空白组冻胀位移数值模拟展开图

2.3 渠道位移场计算与分析

试验组冻胀量计算结果，如图6所示。可以看出，试验组1、试验组2和试验组3的最大冻胀量均出现在渠底中央处，冻胀量分别为29.81 mm、15.57 mm和5.61 mm。一方面渠底未铺设苯板，浆砌块石的保温性能远低于苯板-混凝土，冻胀量必然会大于其他位置。另一方面，混凝土衬砌板硬度高、自重大，在一定程度上能够抑制渠基的冻胀，坡脚处承受渠坡和渠底冻胀力作用时，浆砌块石需承受多方向不均匀冻胀力。由于渠底未铺设苯板和混凝土衬砌板，试验组中冻胀形式为自由冻胀，平均冻胀量分别为 25.28 mm、14.17 mm、4.30 mm。与空白组相比，1 cm苯板平均可减少冻胀量为6.44 mm。

图6 试验组冻胀位移结果

空白组渠道模型中，渠道断面中最大冻胀量位于渠底中部，加入苯板后渠基土上边界随着苯板厚度增加，冻胀量不断减小。由于衬砌板自重能够抵抗部分冻胀力，疏勒河灌区渠基主要表现为原位冻胀，铺设5 cm苯板完全满足冻胀防治要求。可以看出，随苯板铺设厚度的增加，渠底至渠顶的冻胀位移趋于平缓，苯板能缩短冻结期，基土水分迁移聚集时间变短，且基土负温状态持续时间明显减少。因此，随着苯板厚度的增加渠道冻胀位移的变化趋势并不明显。

3 结 论

利用ANSYS 有限元软件对疏勒河灌区干渠进行了数值计算，并与加设苯板的渠道模型结果进行比对，解决了原位试验困难的问题，发现该区域土样为粉质黏土，瞬态温度场和位移场计算结果显示冻深的发展具有滞后性，平均1 cm 苯板可减少6.44 mm的冻胀量和14.19 cm冻深，结果较为准确。综合数值模拟计算结果和灌区实测资料，推荐铺设5 cm苯板对于该灌渠冻胀防治最为经济合理。研究结果对干渠冻胀防治具有重要的参考意义。