季冻区渠道不同厚度聚苯板保温与防冻胀效果数值模拟研究

潘特

（岫岩满族自治县水利事务服务中心，辽宁岫岩114300）

0 引言

我国大部分地区属于温带，存在面积广大的季节性冻土区，这些地区的地表在冬春季期间存在比较明显的冻融作用，并形成一层冻融层。显然，冻融会对土体的物理力学性质和结构造成比较显著的影响，进而影响到水工结构的安全性和耐久性[1]。特别是当地的输水渠道，其土质边坡在冻融作用下往往会造成比较严重的破坏[2]。虽然国内外在土质边坡渠道的防冻胀破坏方面进行了广泛而深入的研究和探索，但是并没有在本质上解决问题，冻胀破坏仍旧是寒区渠道破坏的主要形式和原因[3]。

灯塔灌区是辽宁省的大型灌区，其所处的辽河平原地区为典型的中温带大陆性季风气候，四季分明，冬季和夏季温差较大，冬季的极端最低气温为-42 ℃，土壤冻结深度为1.2～2.5 m[4]。由于灯塔灌区的地下水比较丰富且水位较高，因此渠道的冻胀破坏比较严重，普通混凝土衬砌渠道，一般经过3～5 年的使用就会产生比较明显的冻胀破坏[5]。为了提高渠道防冻胀效果，拟在节水改造工程中利用在渠道衬砌与土体之间铺设聚苯乙烯板进行防冻胀处理。由于在这方面没有现成的标准和工程经验借鉴，研究和确定合适的保温板厚度具有十分重要的意义，可以在保证保温效果的同时，最大限度降低工程的施工成本。基于此，文章以灌区的2 号支渠为例进行数值模拟研究，以便确定最佳的保温板厚度。

1 数值计算模型的构建

1.1 ADINA 有限元软件简介

ADINA 有限元软件以有限元理论为基础，可以利用力学领域的线性和非线性方程组的求解解决普通力学、结构力学以及温度场领域的问题。该软件被开发出来之后，凭借其强大的非线性问题的分析功能，在工程界、科学界以及教育界等诸多领域获得广泛应用[6]。因此，此次研究选择ADINA 有限元软件进行研究渠段的有限元计算模型构建。

1.2 几何模型与边界条件

研究渠段选取的是辽宁省灯塔灌区2 号支渠。该段渠道为混凝土预制板衬砌结构设计，其底板的宽度为3.00 m，深4.50 m，坡度为1∶1.75。研究中以该段渠道为背景进行计算模型的构建，根据渠道现场调查数据，确定模型的参数和边界条件。模型的上部为空气对流条件，下部为冻深边界。其中，渠道阳坡的法向冻深为0.75 m，阴坡的法向冻深为0.39 m，渠底的冻深为上述两个冻深之间的过渡。由于渠道的冻胀过程比较复杂，会受到诸多因素的影响，因此在模型的建立过程中将衬砌和渠道视为一个整体，以实现模型构建的便捷性，保证研究工作的顺利进行。由于研究渠段的基土性质比较单一，因此在研究中认为其具有各项同性的特点。由于当地的地下水位比较稳定，因此不考虑水位升降的变化，同时基土的冻胀仅和基土本身的负温有关；研究中认为基土温度不存在渠道轴线方向上的差异，因此采用二维平面模型进行温度荷载的应变研究[7]。

1.3 模型的构建与计算参数

由于构建的模型上部与空气直接接触，因此认为上表面的温度和当地气温相同，并设置为当地1 月平均气温值，阳坡和阴坡分别为-8.41 ℃和-3.39 ℃。模型下方设置冻深边界条件，因此将模型下部的温度设置为0 ℃，结合工程实际和相关研究成果，采用直接传导的温度传导方式。对构建的几何模型进行映射网格单元划分，并对衬砌和基土表层部位进行加密，最终获得556 个网格单元，有限元模型示意图如图1 所示。

图1 渠道有限元模型示意图

计算参数是影响有限元模型计算结果的重要因素，在研究中结合相关的技术资料和实测数据，确定如表1 和表2 所示的计算参数。

表1 渠道土体基本参数表

表2 各种材料的力学参数

2 模型的验证

为了验证模型的科学性和有效性，在研究渠段铺设地温监测系统，监测和记录地温数据。利用已构建的模型对研究渠段的地温进行计算，并将计算结果和实测结果进行对比，结果如图2 所示。由图2 可知，基于监测数据和实测数据的地温变化曲线比较接近，说明文章构建的有限元计算模型具有较高的预测精度，可以用于后续研究。此外，从图2 中的变化曲线可知，地温虽然随着深度的增加而增加，但是增加的幅度较为有限，说明在衬砌下铺设聚苯板可以在30 cm 以上的土层中产生比较显著的增温效果。

图2 模型验证结果

3 计算结果与分析

3.1 保温效果

为了研究衬砌下聚苯板的保温效果，特别是不同厚度的聚苯板对保温效果的影响，研究中结合相关研究成果，设置 2，4 ，6 ，8，10 ，12 cm 等 6种不同的厚度参数，进行有限元模型的构建，并分别记为模型1 至模型6。为了研究聚苯板的保温效果，同时设置无保温板工况作为对比工况。利用构建的有限元模型，对不同工况下的基土温度进行模拟计算，并在计算结果中提取出表层温度的最低值，结果如表3 所示。由计算结果可知，设置聚苯板工况下的基土表层最低温度在-7.53～1.77 ℃之间，与没有设置聚苯板的模型相比，保温效果明显提升，提升幅度在27.60%～82.98%之间。由此可见，设置聚苯板可以起到显著的保温效果。此外，由计算结果可知，要使保温效果提升50%，聚苯板的厚度应在6 cm 以上。

表3 基土冻土表层的最低温度值计算结果

3.2 防冻胀效果

利用构建的有限元模型，对不同聚苯板厚度下的渠道冻胀量进行模拟计算，根据计算结果，绘制出如图3 所示的不同模型最大冻胀量变化曲线。由图3 可知，模型一和无聚苯板对比，模型的计算结果较大且比较接近，说明聚苯板的厚度较小时难以取得显著的防冻胀效果。其余模型的冻胀量与对比模型比均有显著的减小，说明设置一定厚度的聚苯板对防止渠道的冻胀破坏具有十分显著的作用。相比而言，厚度为6 cm 的聚苯板防冻胀效果最佳，其最大冻胀量在2 cm 以内。从计算结果可知，建议在工程施工中采用6～8 cm 厚度的聚苯板，不仅可消减近90%的冻胀量，同时还可以控制工程成本。

图3 渠道阴坡渠道基土冻胀量变化过程曲线

4 结论

此次研究以辽宁省灯塔灌区节水改造工程实施后的2 号支渠为例，利用数值模拟计算的方法，研究了聚苯板厚度对渠道防冻胀效果的影响，并获得如下主要结论：

1）在渠道衬砌下方铺设聚苯板，可以起到显著的保温作用，从计算结果来看，保温效果可以提升27.89%～83.87%；此外，聚苯板厚度在6 cm 以上时，可以将保温效果提升50%以上。

2）从防冻胀效果来看，聚苯板厚度在4 cm 以下时的效果并不理想，特别是小于2 cm 时难以起到明显的防冻胀作用；根据计算结果，建议在工程设计中采用6～8 cm 的聚苯板，以兼顾防冻胀效果和经济性。