混凝土-PE结合U形衬砌渠道抗冻性能探究

巩永杰，王 斌,2,3

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021；2.旱区现代农业水资源高效利用教育部工程 研究中心， 宁夏 银川 750021；3.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏 银川 750021)

1 引言

根据第二次全国土地调查成果，我国绝大部分耕地处于季节性冻土区[1]，当季节性冻土发生冻融循环时，土壤中的水分会进行重分布，土壤颗粒骨架发生变化，同时土壤中的盐分会发生迁移[2]，修筑在上面的人工建筑物在土壤膨胀和盐冻的双重作用下发生破坏。农业是我国用水第一大户，灌溉用水经过衬砌渠道时造成渗漏，约50%灌溉水在输送途中损耗，农业用水综合利用效率只有0.55，远低于发达国家的0.75～0.85[3]，提高农业用水效率，未来农业用水“零增长”“负增长”成为我国水安全战略，因此提高农业用水利用效率，发展节水灌溉成为亟待解决的问题。我国田间斗渠和农渠衬砌多为预制两拼式U形混凝土衬砌渠道，因衬砌渠道冬季发生冻胀后，冻胀力和冻胀变形较为均匀得到大力推广[4]。但在实际使用时，预制混凝土衬砌渠道有许多不足：①单块板宽度为0.5 m，施工效率低：混凝土预制板为素混凝土，U形预制板在运输和现场搬运途中容易在直段与弧段相交处发生断裂，且现场施工主要靠人力搬运，因此单块混凝土衬砌板长度为0.5 m；②预制混凝土衬砌板表面蜂窝麻面较多，糙率比较大，降低了过水能力，内部存在初始裂缝，渠道经过水时会造成渗漏，为将来冻胀破坏埋下安全隐患；③混凝土为刚性材料，变形能力差，抗冻性不足，因此实际工程通常增大混凝土衬砌板厚度来提高渠道抗冻性，导致施工效率降低，工程造价加大，如使用保温板进行保温等措施，导致施工成本增大；④渠道冻胀破坏后维护难度大，修复费用大；⑤国家环保要求：水泥生产是高耗能产业，相应环保要求降低水泥用量。针对预制混凝土U形衬砌渠道的缺点，本文提出混凝土-PE结合U形衬砌渠道，衬砌渠道上部分使用混凝土，下部分使用PE，通过PE发生较大的变形提高衬砌渠道的变形能力[5～12]。

2 试验

为了对混凝土-PE结合U行衬砌渠道下部分PE提供力学参数，根据《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》(GB/T 1447-2005)中相关规定，本次实验制作Ⅰ型试样，制作3个试件，进行拉伸，如图1所示。

图1 PE拉伸试样

拉伸结束后，3个试件的拉伸极限强度分别为24.1 MPa、24.7 MPa、23.7 MPa，中间值均未超过最大 值和最小值15%，因此取3个试件的平均强度24.17 MPa为极限抗拉强度。PE的应力-应变曲线如图2所示。

图2 PE拉伸应力-应变曲线

从图2可知，随着荷载增大，PE应力-应变曲线首先出现弹性特征，随着荷载进一步增大，应力-应变曲线出现塑性特征，切线弹性模量逐渐变小。

3 有限元模型

3.1 渠道模型

为了探究混凝土和PE相对使用量对衬砌渠道抗冻胀性能影响，以混凝土和PE之间的相对使用量为变化，引入PE相对使用量系数，其定义如图3和公式(1)所示：

(1)

式(1)中：α为PE相对使用量系数；h混凝土为衬砌渠道中混凝土的使用量；hPE为衬砌渠道中PE的使用量。

图3 混凝土-PE结合U形衬砌渠道示意

渠道有限元模型参数设置如下所示：

(1)衬砌渠道上部分混凝土强度为C20，厚度为6 cm。

(2)根据《给水用聚乙烯(PE)管材》(GB/T 13663-2000)，渠道下部分PE的厚度为6 cm。

为了探究PE相对使用量变化对衬砌渠道抗冻胀能力的影响，取PE相对使用量α=0，0.25，0.5，0.75，1.0，1.25，1.50，1.75，2.0等8个数。

3.2 冻胀荷载施加

本文根据学者对冻胀力分布和冻胀形式研究，直接对衬砌渠道施加冻胀荷载[13，20]。

3.2.1 法向冻胀力

法向冻胀力沿着衬砌渠道外侧的分布，在阴阳坡两侧显著不同，具有以下规律：渠顶法向冻胀力为0，在直坡段，法向冻胀力线性增大，在弧段均匀分布；阴坡直段=1.5阳坡直段，阳坡弧段=1.5阳坡直段，阴坡弧段=1.5阳坡弧段，分布示意图如图4所示。

图4 法向冻胀力分布示意

3.2.2 切向冻结力

切向冻结力在衬砌板直坡板部位呈现直线分布特征，渠顶为0，渠道直坡板与弧段相交处切向冻结力达到最大值；在渠底弧形部位沿着衬砌板从上到下切向力逐渐减小，渠底为0，切向冻结力分布如图5所示。

图5 切向冻结力分布示意

3.2.3 混凝土-PE结合U形衬砌渠道合力

对衬砌渠道施加冻胀力和切向冻结力后，混凝土-PE结合U形衬砌渠道承受的冻胀荷载合力分布如图6所示。

图6 混凝土-PE结合U形衬砌渠道合力

4 抗冻胀能力分析

4.1 混凝土-PE结合U形衬砌渠道应变变化

选择标记点，以便分析PE相对使用量不同时的混凝土-PE结合U形衬砌渠道在冻胀荷载作用下的力学响应。

图7为冻胀荷载作用下混凝土-PE结合U形衬砌渠道渠顶应变变化图。图7可知，当PE相对使用量α=0.25、0.50时，标记点最大应变均小于预制U形混凝土衬砌渠道，当PE相对使用量α≥0.75时，随着PE相对使用量增大，标记点最大应变大于预制U形混凝土衬砌渠道且随着PE相对使用量增大，标记点最大应变逐渐增大。随着PE相对使用量α增大，渠道同一点的最大应变逐渐增大，表明混凝土-PE结合U形衬砌渠道中使用PE能够改善衬砌渠道的力学响应，增大混凝土的应变，发挥材料的特性，使得混凝土-PE结合U形衬砌渠道能够很好地抵抗衬砌渠道冻胀荷载，提高渠道的抗冻胀能力。

图7 衬砌渠道标记点最大应变

4.2 混凝土-PE结合U形衬砌渠道最大位移

混凝土-PE结合U形衬砌渠道渠顶最大位移随着PE相对使用量增大的变化趋势如图8所示。从图8可知：当α=0时，预制U形混凝土衬砌渠道渠顶最大位移为3.19 mm，当PE相对使用量α=0.25、0.50时，混凝土-PE结合U形衬砌渠道渠顶最大位移均小于预制U形混凝土衬砌渠道；当PE相对使用量α≥0.75时，混凝土-PE结合U形衬砌渠道最大位移大于预制U形混凝土衬砌渠道。当PE相对使用量α≤1.25时，衬砌渠道渠顶最大位移增大趋势较为平缓，当α=1.25时，渠顶最大位移为预制U形混凝土衬砌渠道的2.2倍；当α≥1.50时，衬砌渠道渠顶最大位移增大趋势加快，当α=1.5、1.75、2.0时，混凝土-PE结合U形衬砌渠道渠顶最大位移为预制U形混凝土衬砌渠道渠顶最大位移的4.1倍、5.0倍、6.3倍。因此PE相对使用量越大，则衬砌渠道渠顶位移的增加量越大。

图8 结合U形衬砌渠道渠顶最大位移

4.3 混凝土-PE结合U形衬砌渠道承载力变化

混凝土-PE结合U形衬砌渠道开裂荷载和破坏荷载随着PE相对使用量增大的变化趋势如图9所示;混凝土-PE结合U形衬砌渠道开裂荷载、破坏荷载与PE相对使用量的拟合关系如表1所示。

图9 开裂荷载、破坏荷载与变化关系

表1 开裂荷载、破坏荷载与PE相对使用量α拟合

预制U形混凝土衬砌渠道的开裂荷载和破坏荷载分别为0.756 MPa、1.30 MPa。当PE相对使用量时，混凝土-PE结合U形衬砌渠道开裂荷载和破坏荷载均小于预制U形混凝土衬砌渠道；当PE相对使用量α≤1.25时，混凝土-PE结合U形衬砌渠道开裂荷载和破坏荷载与预制U形混凝土衬砌渠道相等；当PE相使用量时，混凝土-PE结合U形衬砌渠道开裂荷载和破坏荷载大于预制U形混凝土衬砌渠道。因此在衬砌渠道中PE相对使用量α不应小于1.5。当PE相对使用量α=1.5、1.75、2.0时，混凝土-PE结合U形衬砌渠道破坏荷载分别为预制U形混凝土衬砌渠道的1.01倍、1.1倍、1.2倍，当PE相对使用量时，混凝土-PE结合U形衬砌渠道最大位移相比较预制U形混凝土衬砌渠道较大，因此衬砌渠道通过发生较大的变形，防止衬砌渠道发生破坏，从而提高混凝土-PE结合U形衬砌渠道的承载能力。

5 结论

本文使用有限元方法，通过对混凝土-PE结合U形衬砌渠进行数值模拟计算，得出以下结论：

(1)随着混凝土-PE结合U形衬砌渠道中PE相对使用量时，衬砌渠道混凝土标记点最大应变、衬砌渠道渠顶最大位移均小于预制U形混凝土衬砌渠道。

(2)当PE相对使用量时，随着增大，混凝土-PE结合U形衬砌渠道标记点最大应变、渠顶最大位移、开裂荷载和破坏荷载逐渐增大；随着PE相对使用量增大，凝土-PE结合U形衬砌渠道最大位移变大，混凝土应变逐渐增大，材料的特性发挥得以发挥，进而提高了混凝土衬砌渠道的开裂荷载和破坏荷载，这符合科学家提出的“以柔克刚”的理念。