保温层梯形渠道温度场数值模拟对比分析

2014-03-28

杨凌职业技术学院学报 2014年4期

(杨凌职业技术学院，陕西杨凌 712100)

0 引言

水是生命的源泉更是每个国家都必不可缺的自然资源，人类依照着水资源走到了今天，有了今天科技繁荣，人民安居乐业的盛世，可是随着经济的发展和水资源的日益短缺，怎样去利用好水资源开发好水资源一直是困扰着一个国家健康发展的难题。我国是一个农业大国，虽然地大物博，但是水资源利用率较低，加之正处在社会主义发展时期，大量的工厂排污设施对水资源的污染更是逐日增长，这样如何开发好水资源利用好水资源已经变为现在世界所关注的重要主题[1]。改革开放以来，我国大范围开始修建灌区，以达到水资源的合理利用，但是我国灌区所修建的渠道大都是砼衬砌，又处于多年冻土区和季节性冻土区，由于其在渠基冻土层的作用下，而致使大部分渠道砼衬砌体发生破坏，轻者砼衬砌板表面出现裂缝或局部鼓起，重者大范围衬砌板坍塌滑坡造成渠道不能正常的输水，每年都要花大量的人力、物力、财力去维修。

对于灌区而言，如何有效解决混凝土渠道衬砌板的冻胀破坏是确保灌区健康持续发展的关键。为解决这类问题，国内外学者进行了大量的研究工作，同时工程实践者也在实际工程中不断进行摸索、实践总结、改进创新工作。目前最常用的一种方法就是对渠道设置防冻层。渠道护坡设置防冻层常用的方法：①置换法。即在护坡易发生冻胀的范围内用非冻胀性土置换冻胀性土；②保温法。即在护坡下设置苯板等保温板材，以削减渠基土的冻胀作用。第一种方法由于对土体性质要求的限制性有时很难使用，而苯板的导热系数小，每1 cm厚的保温板就可以减少10 cm～15 cm的冻深，在护坡下设置5 cm～10 cm的苯板就可以满足抗冻胀的要求，所以目前大多数渠道都采用全断面铺设苯板来达到渠基土保温的效果。

本文利用有限元软件ADINA，以甘肃靖会灌区干渠弧底梯形渠道为研究对象，对特定的时间段内的不铺设苯板，铺设苯板两种情形时温度场进行了仿真计算，模拟出了渠道在两种不同状态下其温度的变化规律，从而充分说明渠道设置防冻层的重要性。

1 建立渠道热力学模型

1.1 基本假设

土壤产生冻结时，土体、水和冰三者之间相互产生作用的过程是微观且异常复杂的，当下还不能以理论数值的形式准确模拟此过程。为了归纳出影响土壤冻结过程及冻胀变形的主要特点，对其冻胀过程进行简化，故作以下假设：①发生冻结的土体是均匀连续且各向同性的；②土体的冻胀与温度、水分、土质有着密切的关联，但当水分及土壤条件确定时，土体冻胀主要取决于温度；③暂且不考虑土体冻结时水分迁移对其的影响；④对于同一种土体和所受相同外力作用时，其相变温度为常值，即取相变温度为0 ℃。

1.2 热传导方程

依据以上四个假设，在进行土体冻结计算时暂时不考虑水分迁移，加之模拟在EPS与XPS保温体系下渠道温度场分布，在西北地易发生季节性土体冻胀的区域，将冻胀过程近似看成是一种缓慢的稳态传热过程。由于在冻结和融化过程中，热传导项大于对流项2～3个数量级，所以忽略对流项的影响[3-4]，则可将稳态三维热传导方程写为:

(1)

2 苯板厚度确定方法

在确定苯板设计厚度时，主要考虑的因素有：所处地设计冻深、日照时长、遮荫程度、设计年季变化频率及地下水埋深等。一般情况下苯板设计厚度可以通过以下两种方式确定：

(1) 根据工程地址条件的设计冻深计算板厚D。

D≥(1/10～1/15)·Zd

(2)

Zd=φfφdφwZk

(3)

式中：Zd为设计冻深，m；Zd为标准冻深，m；宜直接采用邻近工程地点气温条件的气象台(站)观测系列不短于10 a历年最大冻深平均值。无此条件时，可查标准冻深等值线图确定。φf为冻深年际变化的频率模比系数，根据标准冻值可查标准冻深与频率模比系数关系曲线得。1、2、3级建筑物按频率5%、4、5级建筑物按频率为20%查取；φd为日照及遮荫程度影响系数，主要根据建筑物的朝向及冻深进行修正；φw为地下水影响系数，可根据地下水埋深和地基土质类型进行计算得到。

(2) 根据理论公式计算板厚D。

(4)

式中：Rd为保温基础设计热阻值，m2h℃/kJ ；I0为负气温指数多年平均值，℃/·d ；Kω为为热阻修正系数，当I0=100～280 ℃·d时，Kω=0.71～1.19,用内插法取值；ξ为聚笨乙烯泡沫板导热系数， W/(m·℃)。

以上公式就是计算苯板厚度的最基本的公式，而第一个公式苯板厚度取设计冻深的1/10～1/15是通过热工计算和实际工程验证过的，可满足工程实用的要求。实际取值时应综合工程等级和地基土冻胀性级别选取厚度比例，即工程等级高、土的冻胀性级别高取大值。反之取小值。

3 有限元模型的建立及参数的选取

3.1 有限元模型

本文选取甘肃省某渠道总干梯形渠道为研究对象，其渠道尺寸断面图，如图1所示。

通过在相同条件下未铺设苯板梯形渠道温度场与铺设苯板后的梯形渠道温度场进行对比分析。在一个灌区中，由于渠道在平面长度的分布很长这一原因，致使所处不同部位的渠道坡向、走向发生改变，接受阳光的照射强度也发生变化，此外基础底板的土体性质、水分含量、风力大小等自然条件都有所不同，在以上原因的综合作用下，直接导致土体的冻结状态和冻深产生不同。原型渠道温度1月份表面温度分布状况与其冻胀状况参见表1。

3.2 有限元模型的材料参数

有限元模型是在原渠道基础上的简化，基础从底板向下取250 cm，左右边界取75 cm，如图2所示。边界条件中，上边界温度取原型渠道相应部位月平均表面温度最小值(表1)，下边界温度取10 ℃，左右边界近似为绝热。

图2 梯形渠道有限模型

温度场计算仅与导热系数λ有关，取基土冻结时导热系数λf=1.987 W/(m·℃) 。其中材料参数如下表2所示。

表2 材料参数

3.3 未铺设苯板与铺设苯板渠道温度场数值模拟分析

本文将靖会灌区1月渠道表面的温度定位加载温度(如表1所示)，在有限元软件ADINA中的ADINA-T模块下来分别模拟不铺设保温板以及铺设保温板后渠道温度场数值模拟分析。

3.3.1 不铺设保温板时渠道温度场分布云图通过不铺设保温板时的渠道温度场分布云图可以看出，在不设置保温层的渠道中混凝土衬砌体下部处于负温，正是由于这些负温区的存在，致使衬砌板冻胀破坏，所以说铺设保温层对于渠道抗冻胀是非常重要的。

图3 不铺设保温板时渠道温度场分布云图

3.3.2 铺设保温苯板时渠道温度场分布云图由公式(2)及表1相关数据，计算出苯板厚度近似取D=5 cm。经过有限元软件ADINA软件模拟可得渠道在保温苯板下的温度场分布云图。从图中可以看出铺设保温层的渠道温度有了明显的上升，而且衬砌板下部出现了正温，这与实际是相符合的。

图4 铺设保温苯板时渠道温度场分布云图

4 数值模拟结果分析

通过数值模拟的温度场分布云图，将没有保温措施的渠道与铺设保温措施渠道两种状况下的数据进行提取，根据ADINA软件输出的数据将其进行比较。通过比较分析可知，采用保温措施下的渠道，其衬砌板下的温度明显比无保温措施的温度高，而且在铺设了厚度为5 cm后的苯板后，可以看出在苯板下，大部分都处于正温，这对于渠道衬砌体是非常有利的。通过相关数据可以看出：

(1)在没有保温措施去打阴坡顶部，其温度为-5.12 ℃，而采用保温后同一位置的温度已经达到了-1 ℃附近，大量的实践表明，由于土体中含有Na+等盐离子会使土体的结冰点降低，一般认为土体的结冰点会在-1 ℃附近，这充分说明了在适用了保温板后的渠道相对于未使用保温措施的去打会更加安全，抗冻胀。

(2)通过相关数据可以看出，在使用保温措施的渠道，除阴坡由于日照时间短，温度较低保温板所起温升存在-1 ℃范围内的负温外，渠道其它部位均达到可正温，这说明数值模拟结果与现实是比较接近的。