渠道衬砌结构冻胀特性模拟分析

摘 要：【目的】通过建立渠道混凝土衬砌结构数值计算模型，深入了解渠道混凝土衬砌结构和渠基土壤在冻胀条件下的温度变化和变形特征。【方法】利用有限元软件建立包含渠道衬砌结构和渠基土壤的数值模型，并考虑渠基土壤温度影响，模拟计算渠道底部温度和衬砌结构的冻胀位移。【结果】研究结果表明，无论是衬砌结构和渠基土壤，考虑接触还是未考虑接触，渠基土壤温度不同深度温度变化均相同，在考虑接触的衬砌结构中，阴坡和阳坡的冻胀变位较渠底更大。【结论】衬砌结构接触或未接触条件下，渠基土壤温度分布规律是一致的，衬砌结构的阴坡和阳坡在顶部冻胀位移和变形存在明显差异。研究成果对渠道衬砌结构的抗冻胀能力方面的研究有一定的参考价值。

关键词：渠道衬砌；数值模拟；冻胀特性

中图分类号：TV698.26" "文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）11-0053-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.11.011

Simulation Analysis of Frost Heare Characteristics of

Channel Lining Structures

ZHANG Yongling XIAO Rang FU Junke

（College of Civil Engineering，Hexi University，Research Institute of Water Resources Protection and

Utilization in Hexi Corridor，Zhangye 734000，China）

Abstract： [Purposes] This study aims to establish a numerical calculation model for the concrete lining structure of the channel， in order to gain a deep understanding of the temperature changes and deformation characteristics of the concrete lining structure and the soil of the channel foundation under frost heave conditions. [Methods] A numerical model was established using finite element software， which includes the channel lining structure and the soil of the channel foundation. The influence of soil temperature on the channel foundation was considered， and the temperature at the bottom of the channel and the frost heave displacement of the lining structure were simulated and calculated. [Findings] The" results show that regardless of whether the lining structure and the canal foundation soil consider contact or not， the temperature change of the canal foundation soil is the same at different depths. In the lining structure considering contact， the frost heave displacement of the shaded and sunny slopes is greater than that of the canal bottom. [Conclusions] The distribution pattern of soil temperature in the canal foundation is consistent under the contact or non-contact conditions of the lining structure， and there are significant differences in frost heave displacement and deformation at the top between the shaded and sunny slopes of the lining structure，which has certain reference value for improving the frost heave resistance of channel lining structures.

Keywords： channel lining; numerical modeing; frost heave characteristics

0 引言

渠道衬砌结构是水利工程中常用的一种重要结构形式，主要用于保证渠道的坚固性和稳定性。合理的衬砌结构设计方案可以提高渠道的输水效率，并减少渠道效率受到工程环境和输水工况的影响。目前，越来越多的渠道工程在寒冷地区进行建设，而在寒冷地区，冻胀是一个常见问题，会对渠道衬砌结构的性能造成一定影响［1-3］。

针对冻土渠基环境下的渠道建设，特别需要关注衬砌结构的防冻胀设计［4］。渠基底部冻土的存在会导致渠道附近土壤在冻融循环过程中土压力产生变化，进而引起渠道衬砌结构产生冻胀应力。刘超等［5］采用试验与模拟相结合的方法，在冬季停水渠道的研究中，利用有限差分软件建立了渠基模型。研究结果显示，渠基温度与深度呈负相关，冻胀量在时间推移中经历了快速冻结阶段、缓慢冻结阶段和稳定阶段的变化。李彬斌［6］通过使用ANSYS建立了北方寒区的膜袋混凝土衬砌渠道有限元模型，并对具体工程进行结构优化计算。郭富强等［7］建立了有限元渠道模型，并对铺设不同厚度聚苯板的渠道进行了温度场和冻胀的模拟，并提出了预制混凝土渠道适宜的保温模式。

因此，通过研究衬砌结构的冻胀模型可以更好地了解衬砌厚度、土壤温度等因素对渠道防冻胀的影响。研究成果可为输水渠道衬砌结构的设计和施工提供一定的参考。

1 研究方法

本研究采用有限元法，将待解区域逐个分割成有限数量的单元，并对其进行离散化处理。这些单元的集合组成了一个离散的网格，在每个网格点上进行线性插值，建立一个插值函数，用于描述待解问题的连续体［8］。本研究选择了一个具体的渠道断面作为研究对象，该断面为U形50 mm厚预制混凝土板衬砌渠道，下部采用一定深度区域作为渠基垫层，几何模型及网格如图1所示，黑色区域为混凝土衬砌结构，浅黑色区域为渠基。经过有限元法的网格处理，该断面被划分为多个剖分的单元。在每个剖分单元中，利用离散网格点上的函数值进行插值计算，从而建立了一个线性插值函数，为后续模拟计算做准备。

在本次模拟中，使用特定的材料参数来描述冻土的性质和行为。冻土的导热性是决定温度分布的关键参数之一。本次衬砌结构和土壤等模拟采用的材料参数见表1。

在进行温度计算时，为了准确模拟物体的温度分布，应在模型的边界上施加温度边界条件。通过施加温度边界条件，可以确定模型中的未知温度值，并计算整个温度分布。在应力应变计算中，为了计算物体的应力和应变分布，可施加适当的位移边界条件。位移边界条件可以包括固定的位移值或受到外部力作用产生的位移等。

2 渠基土壤温度模拟分析

在进行渠道衬砌结构冻胀研究时，首先进行渠基土壤温度分析。考虑接触和未考虑接触温度分布如图2所示。由图2可知，无论考虑衬砌结构接触土壤与否，渠基土壤的温度分布规律都是一致的。研究结果显示，土壤温度在不同深度范围内有所变化。渠底40 cm深度以下的土壤温度变化快，而30～40 cm深度的变化相对缓慢。阴坡上部20～30 cm深度的变化速度略低于30～40 cm深度。阴坡下部的10～20 cm深度的变化梯度稍小于20～30 cm深度。阳坡下部30～40 cm深度的梯度稍小于40～50 cm深度。此外，在阳坡上部20 cm深度处，土壤温度变化速度较快。

无论是否考虑衬砌结构与渠基土壤接触，渠基底部温度分布具有高度相似性。在沿着渠基法线方向的不同深度范围内，土壤温度变化呈现明显的梯度差异。尤其在底部40 cm深度和阳坡上部20" cm深度的土壤温度变化较快。相比之下，渠底30～40 cm深度的土壤温度梯度较小。

渠基最大冻深温度和最大融深温度如图3所示。在沿着衬砌结构中间法线方向观察时，渠基土壤的冻结深度每增加10 cm，对应的温度大约增加0.7～0.8℃。渠基土壤温度计算对比结果如图4所示。冻结深度和温度两个变量之间呈现近似线性递增。

3 考虑接触的衬砌结构冻胀位移分析

衬砌结构考虑接触渠基土壤和未考虑接触渠基土壤情况下的温度分布基本相同。因此，在应力应变分析中，对考虑接触的衬砌结构冻胀位移进行模拟计算后无须额外计算未考虑接触情况下的位移变化。根据图5所示的模拟结果显示，冻胀变形后的砌板整体产生向上的位移，两侧受到了土壤挤压，并出现微小偏转变形。

考虑衬砌结构接触土壤情况下的计算结果显示，衬砌结构在阴坡和阳坡的冻胀位移分别为7.49 mm和7.20 mm，而渠底的冻胀位移为3.24 mm。这表明阴坡和阳坡的冻胀变位较大，而渠基的冻胀变位相对较小。

冻胀力分布和主应力分布如图6、图7所示。由图5和6可知，在分析接触衬砌结构时，发现阴坡和阳坡的冻胀力和位移分布存在显著差异。阴坡的上部水平冻胀位移为3.50～5.53 mm，而中下部为1.47～3.50 mm。相比之下，阳坡的上部水平冻胀位移为2.60～4.64 mm，而中下部为0.57～2.60 mm。阴坡顶部的水平冻胀位移最大值为6.55 mm，而阳坡顶部为5.66 mm。

阴坡的中上部竖直冻胀位移为5.06～6.42 mm，而下部为4.56～4.99 mm。相比之下，阳坡的中上部竖直冻胀位移为4.38～5.74 mm，而下部为4.04～4.38 mm。此外，可以得到阴坡顶部的竖直冻胀位移最大值为7.11 mm，而阳坡顶部的最大值为6.77 mm。

综上所述，在考虑接触的衬砌结构中，阴坡和阳坡的冻胀位移分布具有一定的差异。阴坡和阳坡上部的横向变位较中下部更大，且阴坡顶部的竖向变位也较阳坡顶部大。

4 结论

本研究针对渠道衬砌结构的冻胀特性进行了详细的模拟分析，建立了渠道混凝土衬砌结构的数值计算模型，并分析了渠基土壤温度的变化，主要得出以下结论。

①考虑衬砌结构接触土壤和未考虑衬砌结构接触土壤的渠基温度分布规律一致。在不同深度范围内，渠基和阴坡、阳坡的土壤温度变化有所不同。

②考虑衬砌结构接触土壤情况下，衬砌结构的阴坡和阳坡的冻胀位移较大，渠基的冻胀位移较小，并且顶部位移存在明显差异。其中考虑衬砌结构接触土壤后，衬砌结构的阴坡和阳坡冻胀位移计算值为7～7.5 mm，渠基的冻胀位移计算值为3 mm左右。

参考文献：

［1］张宇峰，王琦，苏娟丽，等.几种典型渠道断面的实用经济性对比分析［J］.水利与建筑工程学报，2022，20（6）：46-49，142.

［2］张晨，王羿，韩孝峰，等.考虑接触损伤效应的衬砌渠道冻胀过程数值模拟方法［J］.岩土工程学报，2022，44（S2）：188-193.

［3］赵公亮.混凝土衬砌渠道的管理与维修养护浅析［J］.黑龙江水利科技，2022，50（6）：162-163，201.

［4］亚力坤.输水渠道衬砌结构冻胀特性影响变化仿真研究［J］.四川水利，2023，44（3）：17-21.

［5］刘超，郭妍秀.季冻区渠基冻胀模拟分析［J］.水利科学与寒区工程，2023，6（7）：1-5.

［6］李彬斌.寒区膜袋混凝土衬砌渠道结构优化［J］.水利科学与寒区工程，2023，6（9）：4-7.

［7］郭富强，李钢铁，霍轶珍，等.基于ADINA的河套灌区预制混凝土渠道保温防冻胀效果数值模拟［J］.干旱区资源与环境，2023，37（10）：84-92.

［8］王海丽.混凝土衬砌渠道冻胀破坏有限元模拟分析［J］.水利科技与经济，2015，21（8）：27-29.

收稿日期：2023-11-15

基金项目：甘肃省高等学校创新基金项目“季节性冻土区农田冬灌回归水入渗对垫层混凝土渠道冻胀的诱发机理研究”（2021A-118）；甘肃省教育厅高等学校创新基金项目“不同断面结构明渠信息化精确量水关键技术研究”（2020B-212）；甘肃省级大学生创新训练计划项目（S202110740046）；横向课题“山丹县马营河大型灌区、寺沟河中型灌区农田灌溉水有效利用系数测算分析”（H2023005）。

作者简介：张永玲（1977—），女，硕士，副教授，研究方向：水利工程。

通信作者：肖让（1979—），男，硕士，教授，研究方向：灌溉排水理论与技术。