不同纵缝对混凝土衬砌渠道冻胀影响的模拟研究

高建阳 曹 谷 汤桂梅

(高邮市水利建筑安装工程总公司，江苏 高邮 225600)

不同纵缝对混凝土衬砌渠道冻胀影响的模拟研究

高建阳 曹 谷 汤桂梅

(高邮市水利建筑安装工程总公司，江苏 高邮 225600)

在我国冻土地区，混凝土衬砌渠道冻胀破坏损害严重影响渠道稳定性，造成水资源浪费，缩短渠道的使用寿命，制约工程效益的发挥。本文对影响渠道冻胀的因素进行了分析，采用有限元软件 ADINA，对不同设缝的混凝土衬砌渠道进行冻胀过程的数值模拟研究，并对应力场、变形场进行分析，进而探究衬砌板的冻胀变形及冻胀力分布，为工程实际应用提供参考。

混凝土衬砌渠道；纵缝；冻胀破坏；模拟研究

深入开发渠道系统的节水功能，做好渠道防渗工作，是实现农业节水的重要保证和关键环节。在我国衬砌渠道冻胀破坏较为广泛，不仅浪费了宝贵的水资源，而且增加了工程的管理和维修费用，进而影响渠道的正常使用，使项目效益不能充分发挥。做好渠道衬砌防渗工作，可以大大提高渠系水的利用率，成为实现农业灌溉节水的关键，因此，加大对混凝土衬砌渠道冻胀破坏的研究变得尤为重要。

混凝土衬砌渠道冻胀破坏是沿轴线方向的破坏，在不均匀冻胀变形作用下，1/3 坡长及渠底中部易形成冻胀裂缝，因此，在混凝土衬砌施工时预先设置纵缝是一种有效削减冻胀破坏的工程措施。本文对影响渠道冻胀的因素进行了分析，采用有限元软件ADINA，对不同设纵缝情况的混凝土衬砌渠道进行冻胀过程的数值模拟研究，探究衬砌板冻胀力、冻胀变形的分布规律，以期达到最大的社会效益和最佳的防冻效果，从而为抗冻胀措施的推广和实际工程应用提供理论指导。

1 有限元模型及参数选取

1.1 热传导方程

冻结过程中，热传导项的影响远远大于对流项，稳态热传导方程为

(1)

(2)

边界条件为

(3)

以上式中T——温度；

A——冻胀区域；

L——冻结边界；

ε——正应变；

由本教研组牵头，在省质量工程“以提高综合职业能力为导向，构建开放式示范性护理实训中心”项目建设上，积极探讨开放式实训中心管理模式。护理实训，尤其基础护理实训，更多的是护生课外自主的训练。为此，我们尝试以“自我服务、自我管理”的护生为主体，指导成立了学生专业团体“护理实训协会”，定期由实训教师进行骨干成员的培训与考核。在平时的开放式管理模式中，协会会员参照临床排班制度，分早、中、晚班制展开工作。开放过程中包括预约、监测、管理相关配套流程，从而使护生在平时课外训练中，能够熟悉临床工作流程，进入自我指导、自我管理、自我发展的良性循环。

σ——正应力；

μ——泊松比;

λx、λy、λz——冻土沿x、y、z向的导热系数。

1.2 参数选取

冻土冻胀系数在热力耦合计算过程中，作为负线胀系数；基土弹性模量泊松比μ=0.33；渠道冻结时导热系数λf=2.0160W/(m·℃)；材料力学参数见表1。

表1 材料力学参数

1.3 方案设计

为提高衬砌板位移分布的可视化，在衬砌板上分别选取 9 个位置点作为研究对象，通过对位置点进行变形场、应力场研究，进而比较分析冻胀变形沿断面的分布规律(见图1)。

图1 渠道模型试验监测点分布 (单位：m)

2 渠道冻胀影响因素研究

2.1 水分

冻胀强弱与渠基土中水分含量有较大关系，渠基土起始含水率为 0.75%～0.95%时，温度降低混凝土衬砌渠道易发生冻胀。渠基含水率低于冻胀含水率时，不会产生土颗粒的相对位移，土中孔隙可供冰凝体增长，不易发生冻胀。地下水深埋，毛管水迁移路径较长，水分难以到达冻结区，研究发现水分迁移量和冻胀量随地下水位埋深的增大呈减小趋势。

2.2 温度

温度的高低直接影响土的冻结速率，若温度下降较缓慢且持续时间长，将导致未冻结区域的水分向冻结区不断迁移积累，形成较大的冻结深度，并在土中形成夹层，发生严重冻胀。同时，光照条件、土壤水分分布等外界因素对渠道温度的变化有较大影响(见表2)。

由表2可以看出，渠道为南北走向时，同一坡面上部和下部相差较小，冻深之差和两坡的温度与东西走向渠道相比较小。渠道为东西走向时，由于日照原因，阳坡、阴坡的冻深之差与渠道温度相差较大，且同一坡面下部和上部之差相对较大。

表2 不同走向的渠道冻胀深度

2.3 渠基土质

混凝土衬砌渠道的冻胀破坏程度受运河土冻结量的影响较大，而冻土体积与土体的抗冻胀性有关。其中，土的分散性对土冻结时冻胀强度和水分迁移有较大影响，用土的粒径和级配来表示(见表3)。

表3 -3℃不同粒径的土冻结时冰的析出情况

由表3 可以看出，在含水量、冷却温度等相同时，土质粒径尺寸不同时其水分迁移量也不同：由于粉质成分黏土毛细管较发达，冻结过程中成为冻结区和地下水之间的通道，冻结区水分不断增加，冻胀变形强烈，冰晶体的析出较为剧烈。在极细碎的黏土中，颗粒越细，分子的引力越强，冻结越慢，仅表现出轻微的冰析出和水分迁移。

3 坡板设纵缝对衬砌板冻胀的影响

3.1 变形场分析

由于渠基土不均匀而产生衬砌板冻胀，槽形渠道改变了受力状态、水分及温度，并且由于各部位温度和日照状况不同，冻胀量、冻结锋面方向也不同。对坡板设纵缝时衬砌板变形场冻胀变化进行有限元分析，模型实测与数值模拟的变形场冻胀量变化如图2所示。

图2 模型实测与数值模拟冻胀量变化

从图2可以看出，在坡脚处设缝，冻胀变形分布比较均匀，与未设缝相比最大冻胀量底板上减小 62%，坡板上减小 53%；在1/3 坡高处设缝，衬砌板冻胀变形最小，与未设缝相比最大冻胀量降低 71%，且分布更加均匀。由于渠底板两端受边坡约束，冻胀变形中部大两端小，且多在底板中部弯折断裂。渠坡板中下部冻胀变形较大，渠堤顶部与上部冻结在一起发生同步形变。渠基的高程不同，地下水深埋程度也不同，衬砌板产生不同的冻胀变形。渠底的地下水埋深相对较浅，冻胀变形分布不均匀，渠坡上部冻胀量小于底部，且渠底自由冻胀量较大。

3.2 应力场分析

从不同设缝情况下衬砌板下表面的法向冻胀力分布(见图3)可以看出，不同设缝情况下，法向冻胀力在渠底趋于均匀，阳坡相对阴坡数值较小，且沿坡面呈上小下大的趋势分布。坡脚处设缝与不设缝相比，阴坡最大法向冻胀力降低 41%；1/3 坡高处设缝，最大法向冻胀力降低约 52%。研究表明，在1/3 坡高处及坡脚设缝，受力状态得到改善，变形得到释放，法向冻胀力数值明显减小。

图3 不同情况下衬砌板法向冻胀力变化(单位：cm)

4 渠底设纵缝时对衬砌板冻胀的影响

4.1 变形场分析

工程渠道多缩窄渠口加宽渠底，渠底中心易发生冻胀破坏，对渠底较宽、坡板较短的渠道，分析在底板中心、坡脚处设纵缝来抗冻胀效果变得尤为重要。保持过水断面和渠深不变，边坡系数为1，底板坡板长为4.25m、宽为3.75m。渠底设缝与未设缝时衬砌板表面的冻胀变形分布如图4所示。可以看出，渠底设缝时冻胀量明显减小，在底板中心及坡脚处设纵缝与未设缝相比最大冻胀量底板上减小71%，坡板上减小62%，冻胀变形分布更加均匀，且削减冻胀效果较为明显。

图4 设缝与未设缝渠底冻胀量的变化

4.2 应力场分析

不同设缝情况衬砌板法向冻胀力分布如图5所示。可以看出，与不设缝相比，采取底板中心及坡脚处设纵缝的抗冻胀措施，渠底板的法向冻胀力降低了35%，阴坡最大法向冻胀力降低了63%。

图5 不同情况下衬砌板法向冻胀力(单位：cm)

5 结 语

本文采用有限元软件 ADINA对不同设纵缝情况的混凝土衬砌渠道冻胀过程进行数值模拟研究，并对变形场、应力场进行分析，得到以下结论。

a.渠底设缝时冻胀量明显减小，在底板中心及坡脚处设纵缝与未设缝相比最大冻胀量底板上减小71%，坡板上减小62%，冻胀变形分布更加均匀，且削减冻胀效果较为明显。

b.坡脚处设缝，最大冻胀量底板上减小62%，坡板上减小53%；在1/3 坡高处设缝，衬砌板冻胀变形最小，最大冻胀量降低71%，且分布更加均匀。

c.采取底板中心及坡脚处设纵缝的抗冻胀措施，渠底板的法向冻胀力降低了35% ，阴坡最大法向冻胀力降低了63%。

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Simulation Study of the Frost Heaving Effects of Different Longitudinal Joints on Concrete-lined Channel

GAO Jianyang, CAO Gu, TANG Guimei

(GaoyouCityWaterConstructionandInstallationEngineeringCorporation,Gaoyou225600,China)

In the permafrost area of China, the frost heave damage of the concrete-lined channel can seriously affect the stability of the channel, resulting in waste of water resources, shortening the service life of the channel and restricting the exertion of engineering benefits. The factors affecting frost heaving of channel are analyzed in this paper. The finite element software ADINA was used to simulate the frost heaving process of concrete-lined channels with different joints. And analyzes the stress field and deformation field, and then explores the frost heave deformation and the frost heave force distribution of the lining plate, which can provide reference for engineering application.

concrete-lined channel; longitudinal joint; frost heaving damage; simulation study

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.02.013

TV00

A

1673-8241(2017)02- 0060- 04