基于有限元的混凝土衬砌渠道冻胀性能研究

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(辽宁省农村水利建设管理局， 沈阳 110003)

基于有限元的混凝土衬砌渠道冻胀性能研究

王圣海，张通，王乔

(辽宁省农村水利建设管理局， 沈阳 110003)

冻害分析及防治研究是混凝土衬砌渠道设计和运行管理研究的一个重要课题。本文在分析了影响混凝土衬砌渠道冻胀特性的土质条件、水分条件等因素后，结合有限元技术，对一大U形混凝土衬砌渠道进行建模仿真，通过将数值模拟仿真结果与实际特性相比较，验证了有限元技术在渠道冻胀研究方面的可行性和准确性。

混凝土衬砌； 渠道； 冻胀性能； 数值模拟仿真; 有限元

我国是一个人均占有水资源量较少的国家。节约用水已成为我国水资源可持续利用发展的战略性措施，而农业灌溉节水又是该项目实施的重点。一些文献资料表明，我国农业用水量大约为3600亿m3，占全国年用水总量的60%以上，而其中农田灌溉用水量占农业用水总量的90%，占全国年用水总量的55%。灌溉渠道节水工程是提高农业用水利用效率的一种有效措施，因此，建设大量系统、可靠、经济的输配水节水渠系，对发展节水农业、缓解水资源短缺和供需矛盾具有实际意义[1]。

灌溉渠道防渗衬砌是减少输配水沿程损失、提高水资源利用效率、增强渠道岸边抗滑稳定性能及控制灌区地下水位工程中广泛采用的技术措施。相关研究表明，没有任何防护衬砌的土渠，其沿程渗漏损失水量约占整个渠道总引水量的35%～60%左右，水资源浪费十分严重。由此可见，渠道防渗衬砌所具有的节水潜力相当大。灌溉渠道防渗衬砌防护工程虽在很大程度上提高了渠道引水资源的综合利用效率，促进了节水农业的可持续快速发展，但在季节性冻土灌溉区，渠道衬砌结构的冻胀破坏问题一直是制约灌溉渠道工程建设发展的一大难题。通过一系列大型灌区普查发现，渠道衬砌阴坡的平均冻胀率可达到72.6%，阳坡为27%。灌溉渠道衬砌冻胀问题，不仅影响到渠道工程高效、经济和安全运行，同时还给灌区工程实际运行管理带来巨大困难，大大缩短了水利工程综合使用寿命，因此，对渠道冻胀破坏的影响因素进行深入研究，就成为水利工程工作人员研究的一个重要课题[2]。

1 渠道混凝土衬砌结构冻胀机理

渠道混凝土衬砌结构冻胀过程是一个随温度变化，由表及里、由浅入深的逐步演变过程。不同渠道混凝土衬砌面上冰晶体形成过程如图1所示：

图1 不同混凝土冻结锋面上冰晶体形成过程

由图1可知，冻结线是已冻土和未冻土的分界线。当渠道运行外界环境温度低于结冰点时，首先会在混凝土衬砌面和原土层接触面间的孔隙处产生一定量的冰晶体，在土层毛细力推动下，渠道土体中所含的水分会向冰晶体迁移，在外部环境温度影响下，转换成冰晶体，使冰晶体越积越大。随着外部温度继续降低，在渠道地基土等孔隙中会产生冰晶体，同样在土体内部毛细力作用下，地基深处的水分会向上迁移，产生冰晶体，使土体冻胀冰晶体更大，促使渠道土体体积不断膨胀发生隆起、顶起衬砌板裂缝等破坏现象。

2 引起渠道发生冻胀的主要因素

由于渠道混凝土衬砌发生冻胀涉及到外部环境温度、内部地基土质、土密度等多种因素，因此，不能简单利用一个简单的模型来描述整个冻胀破坏过程。我国大量混凝土冻胀研究学者研究经验表明，影响渠道混凝土衬砌冻胀的敏感性因素主要为土、水、温以及附加荷载四大因素[3]。

2.1 土质条件

渠道地基土质是影响冻胀性能的一个重要因素。土的分散性是渠道地基土在发生冻结时影响水分迁移性能和冻胀强度的决定性因素。随着土体粒径变细，土粒与水间的相互作用力将增强，同时土壤的渗透性能将被削弱，当土体为粉粒含量占主要部分时，渠道地基土的冻胀性最强，而对于黏粒物质占主要成分时，土粒与水分间的作用力将很强，但同时由于土壤渗透性骤减，阻碍了冻结时土体中水分向冻结区迁移，在这种条件下渠道地基土冻胀性反而会降低。此外土壤中矿物质和土壤含盐量也对渠道混凝土冻胀性能有较大影响。

2.2 水分条件

土质中含水量的多少，是渠道土在冻结时能否发生冻胀现象的直接决定因素。当渠道土发生冻结析出冰时，冻胀程度不可能随土体含水量的增长而无限制增长，即当土体中含水量达到某一极限值时，土体冻胀性能也会达到一个最大值，超过该极限值时，土体冻胀破坏性能将下降。因此，水分含量也是渠道冻胀性能研究的一个重要对象。

2.3 温度条件

显然，只有当渠道外部大气温度低于土壤水的实际冻结温度时，才可能在渠道土中发生冰析出现象。

2.4 附加荷载

在渠道衬砌过程中，通常会在地基土层上覆相应的附加荷载，一方面可以使土层通过压缩固结脱水，降低土体中的含水量，增加土体相应的密实度，使土壤水导湿率发生改变，达到抑制土体水分迁移速率的效果；另一方面，只有土体冻结过程中在冰透镜体生长面上所产生的冻胀应力等于或大于其上覆附加的荷载力时，渠道才可能出现冻胀现象[4]。

3 U形渠道混凝土衬砌冻胀性能分析

根据渠道外观尺寸大小可以将U形渠道分为小U形和大U形两大类。小U形混凝土衬砌渠道具有刚度大、整体性能好等优点，对基土的冻胀约束性改善较明显，且混凝土衬砌冻胀量分布较为均匀，弧底反拱作用效果明显，能有效利用混凝土自身的良好抗压性能，获得较强的承载能力，且在冻土消融后，复原能力较强，不易产生冻胀破坏现象。大U形混凝土衬砌渠道虽从外观来看也属于U形渠道(如下页图2所示)，但由于大U形渠道断面尺寸较大，各部位的坡向坡度均不同，日照接收强度也不一，加上土质、水分、风力外部自然条件因素等差异，渠道混凝土面上各部位的冻结状态和强度也有很大不同。

图2 大U形混凝土衬砌渠道断面

实际工程经验表明,大U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏性能主要表现为：渠道上部冻深较大，越往底部冻深越小，阴坡温度低冻深较大，阳坡温度高冻深较小，且驱动冻胀方向为渠侧向里渠底向上；从渠道整体来看，沿渠道轴线方向，在阴坡直线段下部其冻胀应力作用较大，是最容易发生冻胀破坏出现裂缝的地方[5]。

4 基于有限元的混凝土衬砌渠道建模仿真

图2所示的大U形混凝土衬砌渠道为整个仿真计算的原始模型，其基本参数值如表1所示：

表1 原大U形混凝土衬砌渠道基本参数

该渠道冻结期主要分布在12月和次年的1～2月，因此，文章选取12月、1月、2月作为监测期。其具体信息如表2所示：

表2 原大U形渠道各部位的表面月温度及冻结期信息

4.1 有限元计算模型

在构筑有限元计算模型时，考虑到冻土融化过程是冻深逐渐减小的过程，因此，根据工程实际及温度水分分布变化情况，对现有边界条件的基础从底板向下取150cm，同时左右边界分别取75cm。按照图2所示的大U形渠道断面构成的有限元模型如图3所示：

图3 大U形混凝土衬砌渠道有限元模型

为更加直观地显示渠道混凝土衬砌板的冻胀应力分布情况，按照图2所示，在混凝土衬砌板上选取1～9号共9个监测点，作为渠道冻胀特性的研究对象(最终选取典型的1、2、5、8、9共五个监测点数据进行绘图分析)，分别比较各点的特性量变化情况。初始测量日为12月5日。冻土力学参数见表3。

表3 冻土力学参数

4.2 仿真模拟结果分析

通过仿真获得该大U形混凝土衬砌渠道对应的监测点冻胀量变化曲线、法向应力变化曲线及切向应力变化曲线分别如下页图4～图6所示：

从图4～图6可知，混凝土衬砌渠道各监测点在冻胀过程中相对于外部气温的负温过程，冻胀量、法向冻胀力以及切向冻胀力均存在一定的滞后现象，这与工程实际中大U形混凝土衬砌渠道冻胀实际特性相符，说明本文所建立的有限元分析模型是准确可靠的，也为工程实际中进行渠道冻胀特性瞬态数值模拟提供了更加合理的研究思路。

图4 五个监测点冻胀量变化曲线

图5 五个监测点法向应力变化曲线

图6 五个监测点切向应力变化曲线

5 结 语

在借助国内外关于混凝土冻胀研究现有的成果和技术基础上，以大U形混凝土衬砌渠道为例，应用有限元进行了建模仿真，通过将仿真结果与实际大U形混凝土渠道冻胀特性相比，验证了有限元技术在渠道冻胀特性方面研究的可行性和准确性，其仿真结果对分析和防治混凝土衬砌渠道冻胀破坏具有非常重要的技术指导意义。

[1] 李安国.渠道防渗工程技术[M].北京:中国水利水电出版社,1998.

[2] 杨洪文.黑河流域渠道衬砌工程抗冻胀模式及应用浅析[J].人民黄河,2006,28(10):55-56.

[3] 贾生海,程建萍.高寒地区灌溉渠系的防冻胀设计[J].节水灌溉技术,2007,26(2):65-68.

[4] 刘雄,宁建国,马巍.冻土地区水渠的温度场和应力场数值分析[J].冰川冻土,2005,27(6):932-938.

[5] 秦涛.石堡川灌区渠道防渗技术探讨[J].陕西水利,2010(5):155-156.

Study of Concrete Lining Channel Frost Heaving Performance Based on Finite Element

WANG Sheng-hai, ZHANG Tong, WANG Qiao

(Liaoning Rural Water Construction Administration, Shenyang 110003, China)

Frost damage analysis and prevention study are important topics for concrete lining channel design and operation management research. In the paper, soil conditions, water conditions and other factors affecting concrete lining channel frost heaving features are analyzed, then finite element technology is combined for modeling and simulation on a large U-shaped concrete lining channel. Numerical simulation results are compared with actual characteristics to verify the feasibility and accuracy of finite element technology in research of channel frost heaving.

concrete lining; channel; frost heaving performance; numerical simulation; finite element

TV93

A

1005-4774(2014)12-0033-04