羅洪海

(撫順大伙房水庫(kù)水源保護(hù)有限責(zé)任公司，遼寧 撫順 113000)

1 計(jì)算模型與方法

1.1 計(jì)算模型的構(gòu)建

目前，可以用于渠道基土和襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析的軟件較多，ABAQUS、ANSYS 等都是應(yīng)用比較廣泛的有限元軟件。其中，ANSYS軟件由美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)，可以用于襯砌結(jié)構(gòu)渠道的水熱力三場(chǎng)耦合分析，將較為復(fù)雜的渠基土凍脹物理因素影響轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^簡(jiǎn)單的靜力學(xué)分析。因此，此次研究選擇該軟件進(jìn)行有限元計(jì)算模型的構(gòu)建[1]。

此次研究以遼寧省沈陽(yáng)市某灌溉渠道為背景進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建。該段渠道為梯形斷面，具體尺寸為底寬0.8 m、渠深1.0 m，渠坡坡比為1∶0.8，其斷面示意圖如圖1所示。經(jīng)過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)的采樣試驗(yàn)，渠基土為低液限粉質(zhì)砂土，在凍結(jié)過(guò)程中各方向的導(dǎo)熱系數(shù)變化不大，凍土的線膨脹系數(shù)為-1.27×10-3，彈性模量為45 MPa，泊松比為0.22，剪切模量為12 MPa。

由于東西走向的渠道陰坡和陽(yáng)坡受到的日照強(qiáng)度不同，因此，渠基土的凍深也存在明顯的差異，研究中陰坡的法向凍深為121 cm，陽(yáng)坡的法向凍深為107 mm。研究中將渠道的基土和混凝土襯砌結(jié)構(gòu)視為一個(gè)整體進(jìn)行模型構(gòu)建，然后，進(jìn)行水熱應(yīng)力耦合計(jì)算[2]。在模型的網(wǎng)格剖分過(guò)程中，采用自由劃分和人工控制相結(jié)合的方式進(jìn)行，最終獲得18 223個(gè)網(wǎng)格單元，19 235個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.2 邊界條件和計(jì)算過(guò)程

在相關(guān)研究中，溫度場(chǎng)邊界條件主要有溫度邊界條件、熱流邊界條件以及對(duì)流換熱邊界條件等三類(lèi)[3]。此次研究中對(duì)模型的上邊界采用對(duì)流換熱邊界條件。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，渠基土凍結(jié)前渠基表面的溫度為3.1 ℃。計(jì)算模擬時(shí)間為11月1日—次年的2月28日，歷時(shí)120 d。該時(shí)間段分為12組，以每10 d平均氣溫作為計(jì)算氣溫，其具體數(shù)值由當(dāng)?shù)貧庀筚Y料獲取。模型渠道基底采用溫度邊界條件，在計(jì)算過(guò)程中保持12 ℃的恒溫不變。模型的側(cè)面采用熱流邊界條件，其密度為0 kg/m3。

計(jì)算過(guò)程中將渠道基土視為各向同性的均質(zhì)線彈性材料，渠基土的相變溫度設(shè)定為-1 ℃，將基土凍結(jié)過(guò)程中的溫度作為凍脹的主要影響因素，將凍脹變形視為二維平面問(wèn)題處理，忽略長(zhǎng)度方向產(chǎn)生的差異[4]。

計(jì)算過(guò)程中待模型的初始靜力平衡之后，其溫度場(chǎng)的控制模型邊界溫度演變實(shí)質(zhì)為熱傳導(dǎo)過(guò)程，模擬計(jì)算采用顯式求解算法，運(yùn)用各向同性的傳導(dǎo)方式對(duì)渠道基土凍脹過(guò)程進(jìn)行模擬計(jì)算[5]。

1.3 計(jì)算方案

試驗(yàn)中主要考慮不同含水率和補(bǔ)水方式的影響，分析計(jì)算其凍脹特征。參考渠基土的實(shí)際情況，確定12%的基土含水率，同時(shí)確定如下三種補(bǔ)水方式方案：方案一將渠基土視為封閉化的系統(tǒng)，無(wú)外界補(bǔ)水。該方案主要針對(duì)地下水埋深較大且渠道冬季無(wú)水的情況。方案二考慮地下水補(bǔ)水影響。該方案主要針對(duì)地下水埋深較淺且渠道冬季無(wú)水的情況。方案三同時(shí)考慮地下水和渠道地表水補(bǔ)水，該方案主要針對(duì)地下水埋深較淺且渠道冬季過(guò)水的情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度場(chǎng)

利用構(gòu)建的有限元軟件對(duì)不同計(jì)算方案下渠基土的溫度場(chǎng)分布特征進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中提取出渠基土最低溫度值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖2所示的渠基土最低溫度變化曲線。由圖2可以看出，試驗(yàn)時(shí)段內(nèi)各方案下渠基土的最低溫度呈現(xiàn)出不斷降低并最終趨于穩(wěn)定的變化特點(diǎn)。在其余條件相同的情況下，渠基土的溫度受到補(bǔ)水方式的顯著影響，不同補(bǔ)水方案下渠基土的最低溫度存在比較顯著的差異。具體來(lái)看，渠基土溫度最低的為方案一，也就是封閉系統(tǒng)方案，其次為方案二和方案三。其中，方案一的溫度明顯偏低，方案二和方案三比較接近。究其原因，主要是等質(zhì)量的土凍結(jié)時(shí)釋放的熱量遠(yuǎn)小于水。因此，有外來(lái)水分補(bǔ)給的方案二和方案三的溫度降低速率相對(duì)較小。此外，方案三為渠道有水狀態(tài)，因此，可以進(jìn)一步阻止渠基土熱量向外界散失，溫度相對(duì)較高。

圖2 各方案渠基土最低溫度變化曲線

2.2 水分場(chǎng)

利用構(gòu)建的有限元軟件對(duì)不同計(jì)算方案下渠基土的水分場(chǎng)分布特征進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中提取出試驗(yàn)結(jié)束后不同深度的基土含水率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖3所示的渠基土含水率變化曲線。由圖3可以看出，不同方案的含水率隨深度變化特征基本一致，也就是隨著深度的增加，基土含水率呈現(xiàn)出不斷增加并趨于穩(wěn)定的變化特征。從不同方案的對(duì)比來(lái)看，相同深度土體含水率最小的為方案一，其次是方案二，土體含水率最大的為方案三。究其原因，主要是方案二和方案三水分補(bǔ)給比較充足，因此，整體含水率較大，而方案三的渠基土可以受到地下水和渠道水體的雙重補(bǔ)給，含水率最大。

圖3 各方案渠基土含水率變化曲線

2.3 凍脹量

利用構(gòu)建的有限元模型對(duì)不同計(jì)算方案下渠基土的凍脹變形特征進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算結(jié)果中提取出渠基土凍脹量的最大值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出如圖4所示的渠基土凍脹量最大值變化曲線。由圖4可以看出，從計(jì)算結(jié)果可以看出，凍脹量呈現(xiàn)出先增大后趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)，前70 d的凍脹量增速較大，之后凍脹量的增長(zhǎng)極為有限。從不同計(jì)算方案的對(duì)比來(lái)看，方案一的凍脹量相對(duì)較小，方案二和方案三的凍脹量較大且比較接近，約為方案一的7倍左右。由此可見(jiàn)，渠道基土的含水率和水分補(bǔ)給是凍脹量的主要影響因素，在相關(guān)研究和工程設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮。

圖4 凍脹量變化曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

水體是導(dǎo)致土體凍脹的重要影響因素，對(duì)灌溉渠道而言，基土的水含量和補(bǔ)充方式直接影響基土的凍害程度。因此，研究和探討渠基土補(bǔ)水方式對(duì)凍脹特征的影響具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。基于此，此次研究從具體工程背景情況出發(fā)，設(shè)計(jì)3種不同的基土水分補(bǔ)給方式，并利用數(shù)值模擬的方式展開(kāi)研究，獲得溫度、含水率以及凍脹量的變化特征。結(jié)果顯示，渠基土水分補(bǔ)給來(lái)源越豐富，其平均溫度和含水率越高，凍脹量越大。當(dāng)然，此次研究并沒(méi)有針對(duì)基土不同位置展開(kāi)更詳細(xì)的研究，需要在今后進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。