聚苯板防冻胀措施在冻土区灌溉渠道的实际应用

吾尔来西·吾提库尔

(新疆水利发展投资(集团)有限公司,乌鲁木齐 830000)

0 引 言

中国季节性冻土区分布广泛,此类地区在冬春季节冻融作用十分明显,这种冻融作用对土体物理力学属性和结构的影响较大,进而对渠道等水工结构造成不利影响甚至破坏。目前,国内外学者在渠道衬砌结构保温防冻胀方面展开了大量且深入的研究,但是均未从根本上解决问题,寒区渠道冻胀破坏问题仍普遍存在。

根据节水工程技术实施经验,在渠道刚性衬砌结构下铺设隔热保温材料层,能对渠基土发挥较好的保温效果,并起到一定程度的抑制冻胀破坏的作用。当前,聚苯板和聚氨酯板两种保温材料在寒区水工建筑物中均有一定程度的应用,且具有高强、质轻、隔热性能优异、便于施工等性能优势。但是目前对聚苯板和聚氨酯板在保温效果及防冻胀方面综合比较的研究成果仍较少。为此,文章依托具体工程,重点研究聚氨酯保温材料在保温、抗冻胀效果及成本等方面的优越性,为该种材料推广应用提供借鉴参考。

1 工程背景

新疆某灌区所处地区为中温带大陆性季风气候区,冬季严寒,极端最低温度达到-41℃,冻土深度位于134～185cm之间。该灌区地下水丰富且水位较高,普通混凝土渠道经过3～5a的运行后几乎完全冻胀破坏。该灌区3#支渠原采用5cm厚的C15预制混凝土板衬砌结构,下设2cm厚的砂浆垫层,下部为基土层,渠道原衬砌结构,见图1。这种刚性衬砌结构无法抵御因环境温度降低及地下水作用所引起的冻胀,为此必须增设保温材料,提升渠道衬砌结构保温效果及抗冻胀性能。

图1 渠道原衬砌结构

2 聚苯板保温机理

聚苯板属于优质的隔热材料,抗冻性好,质轻且吸水性小,在水利工程衬砌及工民建墙体保温等领域应用广泛。该灌区渠道衬砌结构中也大量使用了聚苯板材料。为展开该材料保温机理分析,应用ADINA有限元软件展开温度场模拟,并采用瞬态分析和稳态分析两种方法依次展开聚苯板保温机理模拟。

2.1 瞬态分析

瞬态分析主要研究渠道衬砌结构下土体温度的变化过程。一般情况下,渠道衬砌结构和外界发生温度交换时,外界温度呈线性下降趋势,且温度仅沿衬砌结构厚度方向变化[1]。

1)在渠道坡面不设置保温板的情况下,设定环境初始温度为1℃,通过分析这种衬砌结构在与外界环境热量交换12h下的温度场趋势云图可以看出,衬砌结构中温度显著降低,且渠底低温发展十分迅速。其中-5℃温度等值线已经越过混凝土层,结构表现出明显冻害;0℃温度等值线已经穿过砂垫层,渠坡下部土体表层已经处于冻胀状态。不设置保温材料的情况下,衬砌结构冻深作用范围为渠坡衬砌结构设计厚度。

2)设置保温材料的情况下,衬砌结构在与外界环境热量交换的过程中,温度场中低温区域在逐步缩小;渠底低温仅小部分深入砂垫层和基土分界线处,渠坡砂垫层中无低温分布。可见,是否设置保温材料的温度场云图存在明显差异,也说明保温材料的设置能明显缩小渠道衬砌结构中低温区域的分布,优化温度场。

2.2 稳态分析

渠坡所吸收的外界热量和渠坡自身热量之和为其向外界传递的热量,假设渠坡各节点温度恒定,即达到渠坡热稳定状态[2]。

1)在不设置保温材料的情况下,根据衬砌结构稳定云图,衬砌结构中最低和最高温度分别为-2.1℃和0.8℃,且内部低温占较大比例;0℃温度界占比较大,表明渠坡已发生冻胀破坏。

2)设置保温材料后0℃等值线均位于保温层以上,说明保温材料对渠坡底土起到保护作用;同时能有效避免负温下土层冻胀破坏。

3 模型构建及验证

3.1 模型构建

该灌区3#支渠采用预制混凝土板衬砌结构,坡度为1∶1.25,底板宽3.1m,渠道深4.5m。以该支渠为背景构建有限元模型,并结合现场实际确定边界条件和参数取值。模型上下部分为空气对流和冻深边界,其中,阳坡和阴坡法向冻深依次为1.75m和1.40m,渠底冻深在以上两个数值间缓慢过渡。渠道冻胀属于较为复杂的过程,为简化分析,在建模过程中将渠道和衬砌结构视为整体。研究渠段地下水位基本稳定,故分析过程中忽略水位升降的影响,基土冻胀则主要取决于基土自身负温;假定渠道轴线向基土温度无差异,最终采用ADINA模型展开温度荷载应变分析。

所构建的渠道衬砌结构模型上部直接和空气接触,故其上表面温度与环境温度基本相当,并取工程所在地1月平均气温,阴坡和阳坡分别为-28.41℃和-22.12℃。模型下部为冻深边界,将其温度设定为0℃。对有限元模型进行映射网格单元划分,同时加密衬砌结构和基土表层。根据工程概况、技术资料和实测结果,得出渠道衬砌结构下部土体及衬砌材料相关参数取值,渠道土体基本参数,见表1;衬砌材料力学参数,见表2。

表1 渠道土体基本参数

表2 衬砌材料力学参数

3.2 观测设计

结合灌区特点,对3#支渠试验段展开防冻胀衬砌处理,为验证是否设置聚苯板保温层以及设置不同厚度聚苯板保温层的保温效果和防冻胀效果,共设计出8种方案:方案1(对比工况)为未设置聚苯板,其余6个方案均设置聚苯板材料层,方案7则设置6cm厚的聚氨酯保温材料;所有方案除保温材料厚度和类型不同外,其余参数完全一致。以上各方案下渠道衬砌结构铺设顺序与图1一致,但衬砌材料铺设厚度相应增大。防冻胀衬砌处理方案,见表3。

表3 防冻胀衬砌处理方案

为获取可靠的防冻胀效果数据,在各试验段阴坡、阳坡的1/3和2/3处布设地温试验测点,测点埋深依次为50cm、100cm和300cm,并通过铂电阴传感器按照13min/次的频次展开不同方案下基土地温测试;同时采用水准仪测量冻胀量,并按10d/次的频次测量观测点和基准点高差。

3.3 模型验证

应用文章前述有限元模型展开该灌区3#支渠渠道不同衬砌方案效果的模拟分析,并将模拟值和实测值展开比较,以反映和评价模型结果的准确性与可靠性。该渠段所铺设聚苯板厚度为8cm,同时埋设有地温监测系统,对模拟值和实测值进行比较,模型验证结果,见图2。根据图中内容可以看出,两者取值较为接近,变动趋势也基本一致,体现出文章所构建的模型预测精度较高,故以下主要应用有限元模型展开聚苯板材料保温效果和抗冻胀效果的分析;此外,随着埋深的增大,渠道衬砌结构地温增幅明显减小,这表明渠道衬砌结构中埋设聚苯板保温材料后能在300cm以上的土层中发挥明显的升温和保温效果。

图2 模型验证结果

4 聚苯板效果分析

4.1 保温效果

应用有限元模型对该灌区3#支渠不同衬砌方案基土地温展开模拟,在模拟结果中提取基土表层最低温度,基土表层最低温度模拟结果,见表4。同时,根据所收集的渠道阴坡和阳坡30cm和50cm深度下测点处地温监测结果,绘制地温变动趋势线,以更为直观地比较不同方案基土冻结时间、冻深及保温效果。根据表中结果以及地温变动趋势线走势可以得出:

表4 基土表层最低温度模拟结果

1)在不设置聚苯板保温材料的情况下,基土表层地温与最低,并与外界环境温度变化直接相关,波动十分剧烈,渠道基土也表现出严重破坏;

2)其余方案下,因设置有聚苯板保温层,故地温趋势线明显与环境温度变化过程分离,且整个监测期内地温波动平缓,取值也基本位于-8.45～-2.57℃之间,与不设置聚苯板的方案相比,保温效果提升29.87%～75.78%。但是随着聚苯板材料厚度的增加,基土表层最低温度提升幅度呈下降趋势,且为确保渠道基土表层最低温度提升50%及以上,聚苯板厚度必须至少达到6cm。

3)最后,对于相同厚度的聚苯板保温材料,因受到地下水埋深、日照时间及强度等因素的影响,阳坡温度高于阴坡,且渠坡1/3处基土温度明显高于渠坡2/3处。

4)6cm厚的聚苯板保温材料和4cm厚的聚氨酯保温材料基土地温过程线基本重合,说明两种厚度的保温材料保温效果接近,但是4cm厚聚氨酯材料采购成本约为6cm厚聚苯板材料的30%～50%。对于该北方寒区灌溉渠道而言,出于保温性和经济性的综合考虑,应选择6cm厚的聚苯板保温材料。

4.2 防冻胀效果

不设置聚苯板的阴坡冻胀位移最大值为148cm,融通后冻胀位移最大值为102cm,阳坡冻胀位移最大值分别为98cm和59cm,表现出较为严重的冻胀破坏趋势;阴坡含水量大于阳坡也是造成阴坡冻胀位移最大值较大的主要原因之一[3]。在采取聚苯板和聚氨酯保温措施后渠坡冻胀位移明显减小,并且随着保温效果的增强,冻胀位移最大值递减,其中方案7(4cm厚聚氨酯板)最大冻胀位移略>方案3(6cm厚聚苯板);随着聚苯板厚度的增大,抗冻胀效果提高,但提升幅度逐渐减慢。冻胀位移最大值模拟结果的统计,见表5。

表5 冻胀位移最大值模拟结果的统计

渠基土含水量和冻结过程中的水分迁移是引起渠道冻胀的主要因素,为提高渠道保温材料的防冻胀效果,必须采取有效措施降低渠基土含水量,抑制或阻断冻结期间水分迁移过程[4]。

5 结 论

综上所述,对于北方寒区灌溉渠道而言,不设置保温材料的情况下,冻结期内渠基土温度必然随环境温度的变化而剧烈变化,并表现出严重的冻胀破坏。为有效削减渠基土冻胀,必须将保温材料和渠道刚性衬砌结构有机结合。4cm厚的聚氨酯材料保温效果与6cm厚的聚苯板材料保温效果相当,但聚氨酯材料造价高,且4cm厚的聚氨酯防冻胀效果略差于6cm厚的聚苯板。随着聚苯板保温层厚度的增大,保温效果和抗冻胀效果提高,但提升幅度降低。综合考虑保温效果、抗冻胀效果、技术要求及经济性,该渠道工程最终选用6cm厚的聚苯板保温材料。