吾爾來(lái)西·吾提庫(kù)爾

(新疆水利發(fā)展投資(集團(tuán))有限公司,烏魯木齊 830000)

0 引 言

中國(guó)季節(jié)性凍土區(qū)分布廣泛,此類地區(qū)在冬春季節(jié)凍融作用十分明顯,這種凍融作用對(duì)土體物理力學(xué)屬性和結(jié)構(gòu)的影響較大,進(jìn)而對(duì)渠道等水工結(jié)構(gòu)造成不利影響甚至破壞。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者在渠道襯砌結(jié)構(gòu)保溫防凍脹方面展開(kāi)了大量且深入的研究,但是均未從根本上解決問(wèn)題,寒區(qū)渠道凍脹破壞問(wèn)題仍普遍存在。

根據(jù)節(jié)水工程技術(shù)實(shí)施經(jīng)驗(yàn),在渠道剛性襯砌結(jié)構(gòu)下鋪設(shè)隔熱保溫材料層,能對(duì)渠基土發(fā)揮較好的保溫效果,并起到一定程度的抑制凍脹破壞的作用。當(dāng)前,聚苯板和聚氨酯板兩種保溫材料在寒區(qū)水工建筑物中均有一定程度的應(yīng)用,且具有高強(qiáng)、質(zhì)輕、隔熱性能優(yōu)異、便于施工等性能優(yōu)勢(shì)。但是目前對(duì)聚苯板和聚氨酯板在保溫效果及防凍脹方面綜合比較的研究成果仍較少。為此,文章依托具體工程,重點(diǎn)研究聚氨酯保溫材料在保溫、抗凍脹效果及成本等方面的優(yōu)越性,為該種材料推廣應(yīng)用提供借鑒參考。

1 工程背景

新疆某灌區(qū)所處地區(qū)為中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),冬季嚴(yán)寒,極端最低溫度達(dá)到-41℃,凍土深度位于134～185cm之間。該灌區(qū)地下水豐富且水位較高,普通混凝土渠道經(jīng)過(guò)3～5a的運(yùn)行后幾乎完全凍脹破壞。該灌區(qū)3#支渠原采用5cm厚的C15預(yù)制混凝土板襯砌結(jié)構(gòu),下設(shè)2cm厚的砂漿墊層,下部為基土層,渠道原襯砌結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖1。這種剛性襯砌結(jié)構(gòu)無(wú)法抵御因環(huán)境溫度降低及地下水作用所引起的凍脹,為此必須增設(shè)保溫材料,提升渠道襯砌結(jié)構(gòu)保溫效果及抗凍脹性能。

圖1 渠道原襯砌結(jié)構(gòu)

2 聚苯板保溫機(jī)理

聚苯板屬于優(yōu)質(zhì)的隔熱材料,抗凍性好,質(zhì)輕且吸水性小,在水利工程襯砌及工民建墻體保溫等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。該灌區(qū)渠道襯砌結(jié)構(gòu)中也大量使用了聚苯板材料。為展開(kāi)該材料保溫機(jī)理分析,應(yīng)用ADINA有限元軟件展開(kāi)溫度場(chǎng)模擬,并采用瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析兩種方法依次展開(kāi)聚苯板保溫機(jī)理模擬。

2.1 瞬態(tài)分析

瞬態(tài)分析主要研究渠道襯砌結(jié)構(gòu)下土體溫度的變化過(guò)程。一般情況下,渠道襯砌結(jié)構(gòu)和外界發(fā)生溫度交換時(shí),外界溫度呈線性下降趨勢(shì),且溫度僅沿襯砌結(jié)構(gòu)厚度方向變化[1]。

1)在渠道坡面不設(shè)置保溫板的情況下,設(shè)定環(huán)境初始溫度為1℃,通過(guò)分析這種襯砌結(jié)構(gòu)在與外界環(huán)境熱量交換12h下的溫度場(chǎng)趨勢(shì)云圖可以看出,襯砌結(jié)構(gòu)中溫度顯著降低,且渠底低溫發(fā)展十分迅速。其中-5℃溫度等值線已經(jīng)越過(guò)混凝土層,結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯凍害;0℃溫度等值線已經(jīng)穿過(guò)砂墊層,渠坡下部土體表層已經(jīng)處于凍脹狀態(tài)。不設(shè)置保溫材料的情況下,襯砌結(jié)構(gòu)凍深作用范圍為渠坡襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度。

2)設(shè)置保溫材料的情況下,襯砌結(jié)構(gòu)在與外界環(huán)境熱量交換的過(guò)程中,溫度場(chǎng)中低溫區(qū)域在逐步縮小;渠底低溫僅小部分深入砂墊層和基土分界線處,渠坡砂墊層中無(wú)低溫分布?？梢?jiàn),是否設(shè)置保溫材料的溫度場(chǎng)云圖存在明顯差異,也說(shuō)明保溫材料的設(shè)置能明顯縮小渠道襯砌結(jié)構(gòu)中低溫區(qū)域的分布,優(yōu)化溫度場(chǎng)。

2.2 穩(wěn)態(tài)分析

渠坡所吸收的外界熱量和渠坡自身熱量之和為其向外界傳遞的熱量,假設(shè)渠坡各節(jié)點(diǎn)溫度恒定,即達(dá)到渠坡熱穩(wěn)定狀態(tài)[2]。

1)在不設(shè)置保溫材料的情況下,根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定云圖,襯砌結(jié)構(gòu)中最低和最高溫度分別為-2.1℃和0.8℃,且內(nèi)部低溫占較大比例;0℃溫度界占比較大,表明渠坡已發(fā)生凍脹破壞。

2)設(shè)置保溫材料后0℃等值線均位于保溫層以上,說(shuō)明保溫材料對(duì)渠坡底土起到保護(hù)作用;同時(shí)能有效避免負(fù)溫下土層凍脹破壞。

3 模型構(gòu)建及驗(yàn)證

3.1 模型構(gòu)建

該灌區(qū)3#支渠采用預(yù)制混凝土板襯砌結(jié)構(gòu),坡度為1∶1.25,底板寬3.1m,渠道深4.5m。以該支渠為背景構(gòu)建有限元模型,并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際確定邊界條件和參數(shù)取值。模型上下部分為空氣對(duì)流和凍深邊界,其中,陽(yáng)坡和陰坡法向凍深依次為1.75m和1.40m,渠底凍深在以上兩個(gè)數(shù)值間緩慢過(guò)渡。渠道凍脹屬于較為復(fù)雜的過(guò)程,為簡(jiǎn)化分析,在建模過(guò)程中將渠道和襯砌結(jié)構(gòu)視為整體。研究渠段地下水位基本穩(wěn)定,故分析過(guò)程中忽略水位升降的影響,基土凍脹則主要取決于基土自身負(fù)溫;假定渠道軸線向基土溫度無(wú)差異,最終采用ADINA模型展開(kāi)溫度荷載應(yīng)變分析。

所構(gòu)建的渠道襯砌結(jié)構(gòu)模型上部直接和空氣接觸,故其上表面溫度與環(huán)境溫度基本相當(dāng),并取工程所在地1月平均氣溫,陰坡和陽(yáng)坡分別為-28.41℃和-22.12℃。模型下部為凍深邊界,將其溫度設(shè)定為0℃。對(duì)有限元模型進(jìn)行映射網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?同時(shí)加密襯砌結(jié)構(gòu)和基土表層。根據(jù)工程概況、技術(shù)資料和實(shí)測(cè)結(jié)果,得出渠道襯砌結(jié)構(gòu)下部土體及襯砌材料相關(guān)參數(shù)取值,渠道土體基本參數(shù),見(jiàn)表1;襯砌材料力學(xué)參數(shù),見(jiàn)表2。

表1 渠道土體基本參數(shù)

表2 襯砌材料力學(xué)參數(shù)

3.2 觀測(cè)設(shè)計(jì)

結(jié)合灌區(qū)特點(diǎn),對(duì)3#支渠試驗(yàn)段展開(kāi)防凍脹襯砌處理,為驗(yàn)證是否設(shè)置聚苯板保溫層以及設(shè)置不同厚度聚苯板保溫層的保溫效果和防凍脹效果,共設(shè)計(jì)出8種方案:方案1(對(duì)比工況)為未設(shè)置聚苯板,其余6個(gè)方案均設(shè)置聚苯板材料層,方案7則設(shè)置6cm厚的聚氨酯保溫材料;所有方案除保溫材料厚度和類型不同外,其余參數(shù)完全一致。以上各方案下渠道襯砌結(jié)構(gòu)鋪設(shè)順序與圖1一致,但襯砌材料鋪設(shè)厚度相應(yīng)增大。防凍脹襯砌處理方案,見(jiàn)表3。

表3 防凍脹襯砌處理方案

為獲取可靠的防凍脹效果數(shù)據(jù),在各試驗(yàn)段陰坡、陽(yáng)坡的1/3和2/3處布設(shè)地溫試驗(yàn)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)埋深依次為50cm、100cm和300cm,并通過(guò)鉑電陰傳感器按照13min/次的頻次展開(kāi)不同方案下基土地溫測(cè)試;同時(shí)采用水準(zhǔn)儀測(cè)量?jī)雒浟?并按10d/次的頻次測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)高差。

3.3 模型驗(yàn)證

應(yīng)用文章前述有限元模型展開(kāi)該灌區(qū)3#支渠渠道不同襯砌方案效果的模擬分析,并將模擬值和實(shí)測(cè)值展開(kāi)比較,以反映和評(píng)價(jià)模型結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。該渠段所鋪設(shè)聚苯板厚度為8cm,同時(shí)埋設(shè)有地溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,模型驗(yàn)證結(jié)果,見(jiàn)圖2。根據(jù)圖中內(nèi)容可以看出,兩者取值較為接近,變動(dòng)趨勢(shì)也基本一致,體現(xiàn)出文章所構(gòu)建的模型預(yù)測(cè)精度較高,故以下主要應(yīng)用有限元模型展開(kāi)聚苯板材料保溫效果和抗凍脹效果的分析;此外,隨著埋深的增大,渠道襯砌結(jié)構(gòu)地溫增幅明顯減小,這表明渠道襯砌結(jié)構(gòu)中埋設(shè)聚苯板保溫材料后能在300cm以上的土層中發(fā)揮明顯的升溫和保溫效果。

圖2 模型驗(yàn)證結(jié)果

4 聚苯板效果分析

4.1 保溫效果

應(yīng)用有限元模型對(duì)該灌區(qū)3#支渠不同襯砌方案基土地溫展開(kāi)模擬,在模擬結(jié)果中提取基土表層最低溫度,基土表層最低溫度模擬結(jié)果,見(jiàn)表4。同時(shí),根據(jù)所收集的渠道陰坡和陽(yáng)坡30cm和50cm深度下測(cè)點(diǎn)處地溫監(jiān)測(cè)結(jié)果,繪制地溫變動(dòng)趨勢(shì)線,以更為直觀地比較不同方案基土凍結(jié)時(shí)間、凍深及保溫效果。根據(jù)表中結(jié)果以及地溫變動(dòng)趨勢(shì)線走勢(shì)可以得出:

表4 基土表層最低溫度模擬結(jié)果

1)在不設(shè)置聚苯板保溫材料的情況下,基土表層地溫與最低,并與外界環(huán)境溫度變化直接相關(guān),波動(dòng)十分劇烈,渠道基土也表現(xiàn)出嚴(yán)重破壞;

2)其余方案下,因設(shè)置有聚苯板保溫層,故地溫趨勢(shì)線明顯與環(huán)境溫度變化過(guò)程分離,且整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)地溫波動(dòng)平緩,取值也基本位于-8.45～-2.57℃之間,與不設(shè)置聚苯板的方案相比,保溫效果提升29.87%～75.78%。但是隨著聚苯板材料厚度的增加,基土表層最低溫度提升幅度呈下降趨勢(shì),且為確保渠道基土表層最低溫度提升50%及以上,聚苯板厚度必須至少達(dá)到6cm。

3)最后,對(duì)于相同厚度的聚苯板保溫材料,因受到地下水埋深、日照時(shí)間及強(qiáng)度等因素的影響,陽(yáng)坡溫度高于陰坡,且渠坡1/3處基土溫度明顯高于渠坡2/3處。

4)6cm厚的聚苯板保溫材料和4cm厚的聚氨酯保溫材料基土地溫過(guò)程線基本重合,說(shuō)明兩種厚度的保溫材料保溫效果接近,但是4cm厚聚氨酯材料采購(gòu)成本約為6cm厚聚苯板材料的30%～50%。對(duì)于該北方寒區(qū)灌溉渠道而言,出于保溫性和經(jīng)濟(jì)性的綜合考慮,應(yīng)選擇6cm厚的聚苯板保溫材料。

4.2 防凍脹效果

不設(shè)置聚苯板的陰坡凍脹位移最大值為148cm,融通后凍脹位移最大值為102cm,陽(yáng)坡凍脹位移最大值分別為98cm和59cm,表現(xiàn)出較為嚴(yán)重的凍脹破壞趨勢(shì);陰坡含水量大于陽(yáng)坡也是造成陰坡凍脹位移最大值較大的主要原因之一[3]。在采取聚苯板和聚氨酯保溫措施后渠坡凍脹位移明顯減小,并且隨著保溫效果的增強(qiáng),凍脹位移最大值遞減,其中方案7(4cm厚聚氨酯板)最大凍脹位移略>方案3(6cm厚聚苯板);隨著聚苯板厚度的增大,抗凍脹效果提高,但提升幅度逐漸減慢。凍脹位移最大值模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表5。

表5 凍脹位移最大值模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)

渠基土含水量和凍結(jié)過(guò)程中的水分遷移是引起渠道凍脹的主要因素,為提高渠道保溫材料的防凍脹效果,必須采取有效措施降低渠基土含水量,抑制或阻斷凍結(jié)期間水分遷移過(guò)程[4]。

5 結(jié) 論

綜上所述,對(duì)于北方寒區(qū)灌溉渠道而言,不設(shè)置保溫材料的情況下,凍結(jié)期內(nèi)渠基土溫度必然隨環(huán)境溫度的變化而劇烈變化,并表現(xiàn)出嚴(yán)重的凍脹破壞。為有效削減渠基土凍脹,必須將保溫材料和渠道剛性襯砌結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合。4cm厚的聚氨酯材料保溫效果與6cm厚的聚苯板材料保溫效果相當(dāng),但聚氨酯材料造價(jià)高,且4cm厚的聚氨酯防凍脹效果略差于6cm厚的聚苯板。隨著聚苯板保溫層厚度的增大,保溫效果和抗凍脹效果提高,但提升幅度降低。綜合考慮保溫效果、抗凍脹效果、技術(shù)要求及經(jīng)濟(jì)性,該渠道工程最終選用6cm厚的聚苯板保溫材料。