權(quán)曉龍

(陜西省水工程勘察規(guī)劃研究院，陜西西安710003)

灌溉渠道防滲襯砌是減少輸配水沿程損失、提高水資源利用效率、增強(qiáng)渠道岸邊抗滑穩(wěn)定性能、以及控制灌區(qū)地下水位的工程中廣泛采用的技術(shù)措施。據(jù)相關(guān)研究表明，沒(méi)有任何防護(hù)襯砌的土渠，其沿程滲漏損失水量約占整個(gè)渠道總引水量的35% ～60%左右，水資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重［1］。渠道防滲襯砌防護(hù)工程，雖在很大程度上提高了渠道引水資源的綜合利用效率，促進(jìn)了節(jié)水農(nóng)業(yè)的可持續(xù)快速發(fā)展，但在季節(jié)性凍土灌溉區(qū)，渠道襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹破壞問(wèn)題一直成為制約灌溉渠道工程建設(shè)發(fā)展的一大難題。據(jù)一系列大型灌區(qū)普查發(fā)現(xiàn)，渠道襯砌陰坡的平均凍脹率較高，幾乎可以達(dá)到73%，陽(yáng)坡為27%。灌溉渠道襯砌凍脹問(wèn)題，不僅影響到渠道工程高效經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行，同時(shí)還給灌區(qū)工程實(shí)際運(yùn)行管理帶來(lái)巨大困難，大大縮短了水利工程綜合使用壽命，因而對(duì)渠道凍脹破壞的影響因素進(jìn)行深入研究，就成為水利工程工作人員研究的一個(gè)重要課題［2］。

1 渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹機(jī)理

渠道混凝土襯砌結(jié)構(gòu)凍脹過(guò)程是一個(gè)隨溫度變化，由表及里、由淺入深的逐步演變過(guò)程。渠道混凝土襯砌不同面上冰晶體形成過(guò)程示意圖由圖1所示:

圖1 不同混凝土凍結(jié)鋒面上冰晶體形成過(guò)程示意

從圖1可知，凍結(jié)線是已凍土和未凍土的分界線。當(dāng)渠道運(yùn)行外界環(huán)境溫度低于結(jié)冰點(diǎn)以下時(shí)，首先會(huì)在混凝土襯砌面和原土層接觸面間的孔隙處產(chǎn)生一定量的冰晶體，在土層毛細(xì)力作用力的推動(dòng)下，渠道土體中所含的水分就會(huì)向冰晶體遷移，在外部環(huán)境溫度影響下，轉(zhuǎn)換成冰晶體，使冰晶體越積越大。隨著外部溫度繼續(xù)降低，在渠道地基基土等孔隙中也會(huì)產(chǎn)生冰晶體，同樣在土體內(nèi)部毛細(xì)力作用下，地基深處的水分也會(huì)向上遷移，產(chǎn)生冰晶體，使土體凍脹冰晶體更大，促使渠道土體體積不斷膨脹發(fā)生隆起、頂起襯砌板裂縫等破壞現(xiàn)象。

2 引起渠道發(fā)生凍脹的主要因素

由于渠道混凝土襯砌發(fā)生凍脹問(wèn)題涉及到外部環(huán)境溫度、內(nèi)部地基土質(zhì)、土密度等多種因素，因此，不能簡(jiǎn)單利用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型來(lái)描述整個(gè)凍脹破壞過(guò)程。據(jù)我國(guó)大量混凝土凍脹研究學(xué)者研究經(jīng)驗(yàn)表明，影響渠道混凝土襯砌凍脹的敏感性因素主要為土、水、溫、以及附加荷載四大因素［3］。

2.1 土質(zhì)條件

渠道地基土質(zhì)是影響凍脹性能的一個(gè)重要因素。土的分散性是渠道地基土在發(fā)生凍結(jié)時(shí)水分遷移性能和凍脹強(qiáng)度的決定性因素。隨著土體粒徑變細(xì)，土粒與水間的相互作用力將增強(qiáng)，同時(shí)土壤的滲透性能將被削弱，到土體為粉粒含量占主要部分時(shí)，渠道地基土的凍脹性最強(qiáng)，而對(duì)于黏粒物質(zhì)占主要成分時(shí)，土粒與水分間的作用利將很強(qiáng)，但同時(shí)由于土壤滲透性驟減，阻礙了凍結(jié)時(shí)土體中水分向凍結(jié)區(qū)遷移，故在這種條件下渠道地基土凍脹性反而會(huì)降低。此外土壤中礦物質(zhì)和土壤含鹽量也對(duì)渠道混凝土凍脹性能有較大影響。

2.2 水分條件

土質(zhì)中含水量的多少，是渠道土在凍結(jié)時(shí)能否發(fā)生凍脹現(xiàn)象的直接決定因素。當(dāng)渠道土發(fā)生凍結(jié)析出冰時(shí)，凍脹程度不可能隨土體含水量的增長(zhǎng)而無(wú)限制增長(zhǎng)，即當(dāng)土體中含水量達(dá)到某一極限值時(shí)，土凍脹性能也會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值，超過(guò)該極限值時(shí)，土體凍脹破壞性能將下降，因此，水分含量也是渠道凍脹性能研究的一個(gè)重要對(duì)象。

2.3 溫度條件

顯然，只有當(dāng)渠道外部大氣溫度低于土壤水的實(shí)際凍結(jié)溫度時(shí)，才可能在渠道土中出現(xiàn)冰析出現(xiàn)象。

2.4 附加荷載

渠道襯砌過(guò)程中，通常會(huì)在地基土層上覆相應(yīng)附加荷載，一方面可以使土層通過(guò)壓縮固結(jié)脫水，降低土體中的含水量，增加土體相應(yīng)的密實(shí)度，使土壤水導(dǎo)濕率發(fā)生改變，達(dá)到抑制土體水分遷移速率的效果;另一方面，只有土地凍結(jié)過(guò)程中在冰透鏡體生長(zhǎng)面上所產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力等于或大于其上覆附加的荷載力時(shí)，渠道才可能出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象［4］。

3 U形渠道混凝土襯砌凍脹性能分析

根據(jù)渠道外觀尺寸大小可以將U形渠道分為小U形和大U形渠道兩大類(lèi)。小U形混凝土襯砌渠道具有剛度大、整體性能好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)基土的凍脹約束性改善較明顯，且混凝土襯砌凍脹量分布較為均勻，弧底反拱作用效果明顯，能有效利用混凝土自身的良好抗壓性能，獲得較強(qiáng)的承載能力，且在凍土消融后，復(fù)原能力較強(qiáng)，不易產(chǎn)生凍脹破壞現(xiàn)象。而大U形混凝土襯砌渠道雖從外觀來(lái)看也屬于U形渠道(如圖2所示)，但由于大U形渠道斷面尺寸較大，各部位的坡向坡度均不同，日照接收強(qiáng)度也不一，加上土質(zhì)、水分、風(fēng)力外部自然條件因素等差異，因而渠道混凝土面上各部位的凍結(jié)狀態(tài)和強(qiáng)度也有很大不同。

圖2 大U形混凝土襯砌渠道斷面

據(jù)大量文獻(xiàn)資料和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，大U形混凝土襯砌渠道凍脹破壞性能主要表現(xiàn)為:(1)渠道上部?jī)錾钶^大，越往底部?jī)錾钤叫?，陰坡溫度低凍深較大，陽(yáng)坡溫度高凍深較小，且驅(qū)動(dòng)凍脹方向?yàn)榍?cè)向里渠底向上;(2)從渠道整體來(lái)看，沿渠道軸線方向，在陰坡直線段下部其凍脹應(yīng)力作用較大，是最容易發(fā)生凍脹破壞出現(xiàn)裂縫的地方［5］。

4 基于有限元的混凝土襯砌渠道建模仿真

4.1 原始參數(shù)信息

按照?qǐng)D2所示的大U形混凝土襯砌渠道為整個(gè)仿真的計(jì)算原始模型，其基本參數(shù)值如表1所示:

表1 原大U形混凝土襯砌渠道基本參數(shù)

該渠道凍結(jié)期主要分布在12月和次年的1－2月，因此，文章選取12月、1月、2月作為監(jiān)測(cè)期，其具體信息如表2所示:

表2 原大U形渠道各部位的表面月溫度及凍結(jié)期信息

4.2 有限元計(jì)算模型

在構(gòu)筑有限元計(jì)算模型時(shí)，考慮到凍土融化過(guò)程是凍深逐漸減小的過(guò)程，因此，根據(jù)工程實(shí)際及溫度水分分布變化情況，對(duì)現(xiàn)有邊界條件的基礎(chǔ)從底板向下取150cm，同時(shí)左右邊界分別取75cm。按照?qǐng)D2所示的大U形渠道斷面構(gòu)成的有限元模型如圖3所示:

圖3 大U形混凝土襯砌渠道有限元模型

為了更加直觀地顯示渠道混凝土襯砌板的凍脹應(yīng)力分布情況，按照?qǐng)D2所示，在混凝土襯砌板上選取1#－9#共9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為渠道凍脹特性研究對(duì)象(最終選取典型的1、2、5、8、9共5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖分析)，分別比較各點(diǎn)的特性量變化情況。

4.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)仿真獲得該大U形混凝土襯砌渠道對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)凍脹量變化曲線、法向應(yīng)力變化曲線、以及切向應(yīng)力變化曲線分別如圖4、5、6 所示:

圖4 5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)凍脹量變化曲線

圖5 5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)法向應(yīng)力變化曲線

圖6 5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)切向應(yīng)力變化曲線

從圖4－圖6可知，混凝土襯砌渠道各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在凍脹過(guò)程中相對(duì)與外部?jī)雒浟?、法向凍脹力、以及切向凍脹力均存在一定的滯后現(xiàn)象，這正與工程實(shí)際中大U形混凝土襯砌渠道凍脹實(shí)際特性相符，說(shuō)明本文所建立的有限元分析模型是準(zhǔn)確可靠性，也為工程實(shí)際中進(jìn)行渠道凍脹特性瞬態(tài)數(shù)值模擬提供了更加合理的研究思路。

5 結(jié)束語(yǔ)

1)土、水、溫和附加荷載四大因素，是影響渠道混凝土襯砌凍脹特性的主要敏感性因素，需要在仿真模型中得到充分描述。

2)考慮大U形混凝土襯砌渠道凍脹破壞特性，確定了仿真模型的邊界條件，建立了大U形混凝土襯砌渠道有限元模型，并選取9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為渠道凍脹特性研究對(duì)象，對(duì)凍脹特性量變化進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

3)選取9個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的5個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明:各典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)在凍脹過(guò)程中相對(duì)外部?jī)雒浟俊⒎ㄏ騼雒浟?、以及切向凍脹力均存在一定的滯后現(xiàn)象，與工程實(shí)際中大U形混凝土襯砌渠道凍脹實(shí)際特性相符，驗(yàn)證了有限元技術(shù)在渠道凍脹特性方面研究的可行性和準(zhǔn)確性，其仿真結(jié)果對(duì)分析和防治混凝土襯砌渠道凍脹破壞具有非常重要的技術(shù)指導(dǎo)意義。

［1］李安國(guó).渠道防滲工程技術(shù)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1998.

［2］楊洪文.黑河流域渠道襯砌工程抗凍脹模式及應(yīng)用淺析［J］.人民黃河，2006，28(10):55 －56.

［3］賈生海，程建萍.高寒地區(qū)灌溉渠系的防凍脹設(shè)計(jì)［J］.節(jié)水灌溉技術(shù)，2007，26(2):65 －68.

［4］劉雄，寧建國(guó)，馬巍.凍土地區(qū)水渠的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值分析［J］.冰川凍土，2005，27(6):932 －938.

［5］秦濤.石堡川灌區(qū)渠道防滲技術(shù)探討［J］.陜西水利，2010，(05):155 －156.