保温材料在南水北调工程京石段水工混凝土防冻胀破坏中的应用研究

魏 为,鄢凯军

(长江水利委员会 河湖保护与建设运行安全中心,武汉 430010)

0 引 言

南水北调工程是我国重要的基础设施建设项目,其京石段水工混凝土防冻胀破坏是南水北调工程的重要问题之一[1]。随着我国经济的快速发展,水资源的短缺日益凸显,南水北调工程的建设对于缓解水资源短缺和保障经济社会发展具有重要意义[2]。

水工混凝土防冻胀破坏问题是南水北调工程建设过程中必须解决的难题之一[3]。水工混凝土冻胀破坏主要表现为混凝土表面裂缝、断裂和塌陷等现象[4]。裂缝和断裂是由于混凝土材料的抗冻性能差,低温下易受破坏,导致混凝土结构变形、开裂,影响水工混凝土的正常使用[5]。塌陷是由于低温下水分蒸发,体积膨胀而导致的混凝土塌陷。目前,对于水工混凝土防冻胀破坏问题的研究主要集中在材料和施工工艺方面[6]。由于水工混凝土结构特殊的结构形式和受力特点,保温材料在水工混凝土防冻胀破坏中具有重要作用。保温材料可以有效减少外界温度对混凝土内部水分的影响,防止水分蒸发和体积膨胀导致的结构变形和开裂等现象[7]。因此,保温材料在南水北调工程京石段水工混凝土防冻胀破坏中具有重要作用。

本文旨在研究保温材料在南水北调工程京石段水工混凝土防冻胀破坏中的应用,研究成果可为解决南水北调工程京石段水工混凝土防冻胀破坏问题提供理论支持和实践经验。

1 保温材料在京石段水工混凝土防冻胀破坏中的应用研究

1.1 南水北调工程京石段工程概况

南水北调中线工程起点为河南省淅川县,经过北京、天津、河北、河南两省两市,穿越海河、黄河、淮河、长江,全长共1 432km。从淅川县陶岔南阳渠首至北拒马河中支流,路线全长1 197km,河道长度1 103km,建筑长度94公km[8]。其中,各种水利建筑共2 200余座,包括61个控制闸、97个分水口门、54个退水闸以及64个节制闸。南水北调京石段工程是南水北调工程中最主要的一条,它从河北、河南两省交界处开始,沿着京广铁路向北,经过新华区和正定、保定市等25个县(市、区),位于北京市北部的拒马河中支以南。

该工程北京段由北拒马河中段的南岸开始,经过房山区,穿越永定河,经过丰台区,沿着西四环向北延伸,最终到达团城湖蓄水池。京石段渠长228.9km,南起古运河节制闸,北止于惠南庄抽水站。在这条线路上,有1座泵站和14道节制闸,将河道分成14个渠池。在这14个渠池中,还设有8座控制闸、12座退水闸、13座分水闸、11座暗渠隧洞、3座渡槽、17座倒虹吸。

1.2 渠道混凝土动胀破坏研究

渠道冻胀破坏指渠基土冻胀和融沉对混凝土衬砌结构的破坏,主要有4种形式:剥蚀、冻胀鼓起裂缝、冻胀鼓起台阶和冻胀鼓起滑坡,破坏规律多是沿纵向裂缝按折裂→错位→滑坍而破坏[9]。首先,当渠基土达到一定温度后,冻结层便会被破坏,渠基土层被剥蚀,形成裂缝。冻结层中的冰晶体也会因温度的影响而发生变化,进而导致冻胀鼓起。另外,当渠基土层在负温度作用下形成冻结层时,由于毛细力的作用,渠基土层中的水分会不断向冻结层中的冰晶体迁移与聚集,导致冻胀鼓起。最后,当渠基土层被剥蚀时,在剥蚀过程中形成裂缝;当渠基土层被冻胀鼓起时,会形成台阶;当渠基土层被冻胀鼓起时,会形成滑坡。

因此,当渠基土满足冻胀条件时,表层的土壤在负温作用下首先形成冻结层,由于毛细力的作用,渠基土中的水分不断向冻结层中的冰晶体迁移与聚集,引起分凝冰层的出现,进而导致土体冻胀。而不同的冻结锋面上形成的冰晶体过程不同,具体见图1。渠基土冻胀是多向性的,仅在侧向相互平衡,垂直向没有平衡,从而使衬砌结构隆起。

图1 不同情况下的冰晶体形成

从图1可以看出,渠道衬砌结构的冻胀变形是一个复杂、非线性过程,其稳定性受到多个因素的影响,如温度、湿度、初始含水量等。因此,在分析渠道衬砌结构冻胀变形过程时,应考虑多因素的综合影响。

首先,要考虑温度和湿度的影响。研究表明,温度和湿度对渠道衬砌结构的冻胀变形有着重要影响。在较高湿度下,水分含量较高,水分容易在渠道衬砌体表面形成冰核,导致衬砌结构发生冻胀变形;而在较低温度下,由于温度较低,水分也容易在渠道衬砌体表面形成冰核,导致衬砌结构发生冻胀变形。其次,要考虑初始含水量的影响,研究表明,初始含水量越大,渠基土体中自由水分层越不均匀,这种不均匀的冻胀量会引起不均匀的冻胀力。此外,还要考虑渠道衬砌体与渠道内边坡土体之间相互作用的影响。渠基土体冻胀过程中,由于受到衬砌体的约束,会施加给衬砌体一种力——冻胀力,这种力随着冻胀量的增加而增大。由于渠基土体中自由水分层的不均匀分布,导致渠基土的冻胀量也将是不均匀的冻胀量引起不均匀的冻胀力。同时,还要考虑初始含水量对渠基土体冻胀变形过程的影响;还要考虑渠基土融化过程中,水分子渗透和迁移对渠道衬砌结构稳定性的影响;也要考虑土体冻结过程中,土颗粒垂直位移造成的热筛效应对土体性质变化及强度降低的影响。

1.3 保温材料在混凝土防冻胀破坏中的应用

已有工程实践表明,在许多地区都使用了聚合物绝缘层,以缓解或消除渠基土壤的冻结深度和冻胀,但国内尚无相关研究。目前,关于衬砌防冻胀的研究已有较多的结果[10]。对于保温措施来说,主要是根据阴阳坡负温不同而采用不同的保温板厚度,而没有考虑到混凝土衬砌与保温板接触热阻(Thermal Contact Resistance,TCR)的影响,以及保温板在渠道衬砌中铺设的位置对其保温效果的影响[11-12]。在保温措施方面,主要是依据阴阳坡负温的差异,选取不同的保温板厚度。

本次项目的保温材料选取聚苯乙烯板,在固态物质界面TCR理论的基础上,开展混凝土衬砌通道接触面传热仿真分析。为了更好地利用保温材料,研究提出一种基于聚苯乙烯板的复合隔热衬砌结构,具体见图2中的方法3。然后利用有限元,对常规铺设方法下的苯系物隔热管道进行热力学耦合仿真,并对其抗冻胀性能进行分析。

图2 3种不同的保温衬砌布置方式

研究以京石段水工混凝土干渠作为原型渠道,采用图2中的3种衬砌保温形式进行分析计算,并通过对不同保温衬砌形式下的衬砌板应力进行对比,得出结论。

在设计复合保温衬砌时,以京石段水工混凝土干渠作为原型渠道,混凝土衬砌总厚度10cm。采用3种保温衬砌形式时,方法1与方法2的衬砌渠道布置相同,但方法2认为混凝土衬砌与保温板间存在空隙,计算过程中需考虑接触热阻。方法3的渠道保温衬砌交错布置形式为:阳坡上层混凝土衬砌较厚,下部两层保温板稍薄,两层保温板中间夹层混凝土也较厚。在固态物质的界面上,通常会出现一些孔洞。在实际应用中,孔洞内有空气,会导致两个接触表面间产生不连续的温度差ΔT。两种固态物质在界面上的传热过程非常复杂,而界面上的热传递主要由界面上的真实接触点和微小间隙内液体的热传导两部分造成。此时,固体材料的界面接触热阻的表达式如下:

(1)

在固体介质中,接触热阻是一项非常重要的热传导参数,直接影响着介质间的热传导特性。在实际制冷过程中,由于接触热阻过大,导致系统能耗的增大。因此,为了改善制冷效率,往往采取减小接触热阻的方法。在隔热领域,为了提高换热效果,还需要增加接触热阻。目前,国外部分地区建筑外墙保温方式主要采用“壁板-保温板”分层排列的方式。该方式在不同的接触面上,增大接触面的接触面热阻,达到了显著的保温效果。

但在进行混凝土衬砌板、保温板和渠基土壤的导热分析时,因渠基土壤处于缓慢的冻融状态,将其转化为二维面内的稳定导热问题。固体材料间的TCR对材料间的热传导有一定的影响。在实际应用中,由于接触热阻过大,会导致系统能耗增大,故通常采取降低固体材料间接触热阻的方法。在隔热领域,还需要增加固体材料的接触热阻。国外建筑外墙的保温方式主要是层间保温,这一方式可以提高外墙与外墙的接触面热阻,从而达到显著的隔热效果。本次研究中的热传导主要为二维平面的稳态传导过程,其具体表达式如下:

式中:A为冻胀区域;λx为X方向的传导系数;λy为Y方向的传导系数;T为温度。

2 不同保温衬砌布置方式结果分析

为了对研究提出的保温衬砌布置方式的实际应用效果进行分析,将其与方法1和方法2的保温衬砌方式进行效果对比。应用ABAQUS 有限元软件,建立京石段水工混凝土干渠渠道模型,以温度场效果、位移场效果、应力场效果作为对比指标进行对比试验。3种不同保温衬砌布置方式的温度场对比结果见图3。

图3 3种不同保温衬砌布置方式的温度场对比结果

由图3(a)可以看出,随着温度的升高,方法2和方法3的保温衬砌布置方式沿衬砌厚度均呈上升状态。且方法3在-1℃时有最大沿衬砌厚度数值,高于方法2拥有最大沿衬砌厚度数值的-3℃。由图3(b)可以看出,随着温度的升高,方法1和方法3的保温衬砌布置方式沿衬砌厚度也均呈上升状态。且方法3在-1℃时有最大沿衬砌厚度数值,高于方法1拥有最大沿衬砌厚度数值的-2℃。上述结果表明,方法3的保温性能优于另外两种方法。

3种方法在渠道3种不同位置下的位移场分析效果见图4。

图4 3种方法在渠道3种不同位置下的位移场分析效果

由图4(a)可看出,在渠道阴坡部分原型渠道的法向冻胀量远高于3种保温方法,且方法3的冻胀量平均值最低,为1.82cm。由图4(b)可看出,在渠道底坡部分原型渠道的法向冻胀量远高于3种保温方法,且其处于大幅波动状态;此外,还发现方法3的法向冻胀量平均值也最低,为1.83cm。由图4(c)可以看出,在渠道阳坡部分原型渠道的法向冻胀量远高于3种保温方法,且其变化情况趋于稳定;此外,还发现方法3的法向冻胀量的变化趋势也较为平稳,其平均值为1.84cm,低于对比方法。上述结果表明,3种方法均有显著的保温效果,且方法3的保温效果优于方法1和方法2。

3种不同保温衬砌布置方式的应力场对比结果见图5和图6。

图5 法向冻胀力变化情况

图6 切向冻胀力变化情况

图8 各算法在模型中的运行时间

图5为3种方法以及原型渠道的法向冻胀力对比结果。从图5可看出,原型渠道的法向冻胀力变化幅度最大,其最高法向冻胀力最大为2.0MPa。从图5中还发现,3种方法的法向冻胀力变化均比较稳定,其中方法3、方法2、方法1的平均法向冻胀力分别为0.08、0.52及0.76MPa兆。上述结果表明,从法向冻胀力结果来看,3种方法均有一定的保温效果,且方法3的保温效果优于另外两种对比方法。

图6为3种方法以及原型渠道的切向冻胀力分析对比结果。从图6可看出,原型渠道的切向冻胀力变化幅度最大,其最高切向冻胀力为2.4MPa,最低切向冻胀力为-2.0MPa。从图6中还发现,3种方法的切向冻胀力变化均比较稳定,其中方法1、方法2、方法3的平均切向冻胀力分别为0.53、0.46及0.09MPa。上述结果表明,从切向冻胀力角度来看,3种方法均有一定的保温效果,且方法3的保温效果优于另外两种对比方法。

综上所述,从多个不同指标的对比结果来看,方法3的保温衬砌布置方式的保温性能最优。因此,将其应用于南水北调工程京石段干渠中,可有效提高其保温效果,防止冻胀破坏的发生。

3 结 论

随着北方气温的不断降低,南水北调工程京石段部分经常出现冻胀破坏问题。针对这一问题,本文将聚苯乙烯保温材料板和混凝土衬砌板进行联合布置,提出一种新型的保温方法。在对该方法的性能测试中发现,该方法在-1℃时有最大沿衬砌厚度数值,且其法向冻胀量、法向冻胀力、切向冻胀力分别为1.82cm、0.08MPa及0.09MPa,均优于另外两种保温方法。上述结果表明,本研究提出的新型保温方法的保温性能优于其他保温方法,利用该方法可有效提高水工混凝土的防冻胀破坏水平。