补水方式对灌溉渠道渠基土冻胀特征的影响

罗洪海

(抚顺大伙房水库水源保护有限责任公司，辽宁 抚顺 113000)

1 计算模型与方法

1.1 计算模型的构建

目前，可以用于渠道基土和衬砌结构数值模拟分析的软件较多，ABAQUS、ANSYS 等都是应用比较广泛的有限元软件。其中，ANSYS软件由美国ANSYS公司开发，可以用于衬砌结构渠道的水热力三场耦合分析，将较为复杂的渠基土冻胀物理因素影响转变为比较简单的静力学分析。因此，此次研究选择该软件进行有限元计算模型的构建[1]。

此次研究以辽宁省沈阳市某灌溉渠道为背景进行有限元模型的构建。该段渠道为梯形断面，具体尺寸为底宽0.8 m、渠深1.0 m，渠坡坡比为1∶0.8，其断面示意图如图1所示。经过工程现场的采样试验，渠基土为低液限粉质砂土，在冻结过程中各方向的导热系数变化不大，冻土的线膨胀系数为-1.27×10-3，弹性模量为45 MPa，泊松比为0.22，剪切模量为12 MPa。

由于东西走向的渠道阴坡和阳坡受到的日照强度不同，因此，渠基土的冻深也存在明显的差异，研究中阴坡的法向冻深为121 cm，阳坡的法向冻深为107 mm。研究中将渠道的基土和混凝土衬砌结构视为一个整体进行模型构建，然后，进行水热应力耦合计算[2]。在模型的网格剖分过程中，采用自由划分和人工控制相结合的方式进行，最终获得18 223个网格单元，19 235个节点。

1.2 边界条件和计算过程

在相关研究中，温度场边界条件主要有温度边界条件、热流边界条件以及对流换热边界条件等三类[3]。此次研究中对模型的上边界采用对流换热边界条件。根据工程现场的实际监测数据，渠基土冻结前渠基表面的温度为3.1 ℃。计算模拟时间为11月1日—次年的2月28日，历时120 d。该时间段分为12组，以每10 d平均气温作为计算气温，其具体数值由当地气象资料获取。模型渠道基底采用温度边界条件，在计算过程中保持12 ℃的恒温不变。模型的侧面采用热流边界条件，其密度为0 kg/m3。

计算过程中将渠道基土视为各向同性的均质线弹性材料，渠基土的相变温度设定为-1 ℃，将基土冻结过程中的温度作为冻胀的主要影响因素，将冻胀变形视为二维平面问题处理，忽略长度方向产生的差异[4]。

计算过程中待模型的初始静力平衡之后，其温度场的控制模型边界温度演变实质为热传导过程，模拟计算采用显式求解算法，运用各向同性的传导方式对渠道基土冻胀过程进行模拟计算[5]。

1.3 计算方案

试验中主要考虑不同含水率和补水方式的影响，分析计算其冻胀特征。参考渠基土的实际情况，确定12%的基土含水率，同时确定如下三种补水方式方案：方案一将渠基土视为封闭化的系统，无外界补水。该方案主要针对地下水埋深较大且渠道冬季无水的情况。方案二考虑地下水补水影响。该方案主要针对地下水埋深较浅且渠道冬季无水的情况。方案三同时考虑地下水和渠道地表水补水，该方案主要针对地下水埋深较浅且渠道冬季过水的情况。

2 结果与分析

2.1 温度场

利用构建的有限元软件对不同计算方案下渠基土的温度场分布特征进行计算，在计算结果中提取出渠基土最低温度值。根据计算结果绘制出如图2所示的渠基土最低温度变化曲线。由图2可以看出，试验时段内各方案下渠基土的最低温度呈现出不断降低并最终趋于稳定的变化特点。在其余条件相同的情况下，渠基土的温度受到补水方式的显著影响，不同补水方案下渠基土的最低温度存在比较显著的差异。具体来看，渠基土温度最低的为方案一，也就是封闭系统方案，其次为方案二和方案三。其中，方案一的温度明显偏低，方案二和方案三比较接近。究其原因，主要是等质量的土冻结时释放的热量远小于水。因此，有外来水分补给的方案二和方案三的温度降低速率相对较小。此外，方案三为渠道有水状态，因此，可以进一步阻止渠基土热量向外界散失，温度相对较高。

图2 各方案渠基土最低温度变化曲线

2.2 水分场

利用构建的有限元软件对不同计算方案下渠基土的水分场分布特征进行计算，在计算结果中提取出试验结束后不同深度的基土含水率。根据计算结果绘制出如图3所示的渠基土含水率变化曲线。由图3可以看出，不同方案的含水率随深度变化特征基本一致，也就是随着深度的增加，基土含水率呈现出不断增加并趋于稳定的变化特征。从不同方案的对比来看，相同深度土体含水率最小的为方案一，其次是方案二，土体含水率最大的为方案三。究其原因，主要是方案二和方案三水分补给比较充足，因此，整体含水率较大，而方案三的渠基土可以受到地下水和渠道水体的双重补给，含水率最大。

图3 各方案渠基土含水率变化曲线

2.3 冻胀量

利用构建的有限元模型对不同计算方案下渠基土的冻胀变形特征进行计算，在计算结果中提取出渠基土冻胀量的最大值。根据计算结果绘制出如图4所示的渠基土冻胀量最大值变化曲线。由图4可以看出，从计算结果可以看出，冻胀量呈现出先增大后趋于平稳的变化趋势，前70 d的冻胀量增速较大，之后冻胀量的增长极为有限。从不同计算方案的对比来看，方案一的冻胀量相对较小，方案二和方案三的冻胀量较大且比较接近，约为方案一的7倍左右。由此可见，渠道基土的含水率和水分补给是冻胀量的主要影响因素，在相关研究和工程设计中需要重点考虑。

图4 冻胀量变化曲线

3 结 语

水体是导致土体冻胀的重要影响因素，对灌溉渠道而言，基土的水含量和补充方式直接影响基土的冻害程度。因此，研究和探讨渠基土补水方式对冻胀特征的影响具有重要的理论意义和工程实用价值。基于此，此次研究从具体工程背景情况出发，设计3种不同的基土水分补给方式，并利用数值模拟的方式展开研究，获得温度、含水率以及冻胀量的变化特征。结果显示，渠基土水分补给来源越丰富，其平均温度和含水率越高，冻胀量越大。当然，此次研究并没有针对基土不同位置展开更详细的研究，需要在今后进行进一步的改进和完善。