1.1設(shè)計原理

渠道防凍膨脹設(shè)計季節(jié)性凍土地區(qū)灌溉渠道建設(shè)的重要課題。目前，我國北方寒區(qū)的渠道防凍膨脹工程措施主要通過改變渠道結(jié)構(gòu)，達(dá)到防止冬季負(fù)溫條件下渠道凍膨脹破壞的目的[1]。例如，隨著新型保溫材料制造工藝的成熟和成本的降低，在渠道襯板結(jié)構(gòu)中加入一定厚度的新型保溫板可以大大降低襯板結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)土的冷熱交換，從而達(dá)到良好的防凍膨脹效果[2]。上述渠道襯砌結(jié)構(gòu)在多年的工程應(yīng)用中，大部分渠道襯砌保持良好，但個別渠道混凝土板有一定程度的隆起。究其原因，主要是外部水分滲透，地下水通過基礎(chǔ)土進(jìn)入保溫板，在冬季負(fù)溫作用下凍脹破壞[3]。針對這種情況，提出了通過外部熱量提供阻止渠道凍結(jié)膨脹破壞的正確加熱保溫防凍膨脹渠道的設(shè)計。其基本思路是通過加熱和保溫雙重措施阻止渠道基土的凍結(jié)，同時利用加熱保溫板附帶的防滲層阻止水分進(jìn)入保溫板[4]。同時，通道保溫板通過自動控制系統(tǒng)實現(xiàn)濕度和溫度的自動監(jiān)視和正確加熱，灌溉通道的基礎(chǔ)土下降到凍結(jié)的臨界溫度時，保溫板內(nèi)的電熱線開始工作，溫度上升到設(shè)定值時，系統(tǒng)自動停電，停止工作。

1.2防凍防滲復(fù)合板的制作

防凍防滲復(fù)合板采用新型聚苯乙烯保溫板，規(guī)格為200cm×180cm×6cm。在保溫板中進(jìn)行寬度為5mm的人工雕刻槽，形成網(wǎng)狀的水印層，使電熱線的熱量均勻擴(kuò)散，提高加溫效果。雕刻槽完成后進(jìn)行電熱絲的鋪設(shè)，鋪設(shè)時采用蛇形鋪設(shè)方式，根據(jù)渠道位置的加熱需求確定鋪設(shè)密度，不需要在各渠道鋪設(shè)電熱絲。鋪設(shè)電熱線后，將聚苯乙烯加熱復(fù)合板的上下板用膠合材料封閉，防止電熱線的熱量通過間隙散失。然后在保溫板上使用一布一膜的土工織物制作防滲層，方法是在土工織物的膜面向內(nèi)，用六面環(huán)繞保溫板的方法封住包[5]。渠道基礎(chǔ)開挖結(jié)束后，首先夯實基礎(chǔ)土，在接近坡面的1/3處埋設(shè)溫度和濕度傳感器，在基礎(chǔ)土層上鋪設(shè)厚度為3cm的1:9水泥細(xì)砂墊，在墊層上鋪設(shè)保溫板。其中加熱保溫板鋪設(shè)在接近渠底的1/3到1/4處，其馀部分鋪設(shè)普通保溫板。在保溫板上鋪設(shè)厚度為3cm的M7.5水泥砂漿，再鋪設(shè)厚度為6cm的C20混凝土預(yù)制塊。將已鋪設(shè)的通道上的各加熱單元與溫度調(diào)節(jié)箱連接，通道某單元的基土溫度下降到-2℃時，埋設(shè)在基土中的溫度傳感器發(fā)出信號，傳輸?shù)綔囟日{(diào)節(jié)箱，溫度調(diào)節(jié)箱關(guān)閉開關(guān)，通道保溫板的電熱線開始加熱。當(dāng)基土溫上升到5℃以上時，溫度傳感器將信號傳輸?shù)綔囟葌鞲衅�，溫度傳感器切斷電源停止加熱。電熱線停止加熱后，保溫板中的水印網(wǎng)格有相當(dāng)多的剩馀熱量，防止基土溫度急速下降，各單元只需間斷供電，最大限度地保證線路安全。

2渠道冷凍膨脹模擬有限元模型

應(yīng)用ANSYS有限元軟件，以遼寧省喀喇沁左翼蒙古族自治縣(以下簡稱喀左縣)平房灌區(qū)物品走向梯形灌溉渠道的典型斷面為例，對無保溫板、普通保溫板和正確加熱保溫板三種不同情況進(jìn)行冷凍膨脹應(yīng)力瞬態(tài)數(shù)值模擬，對不同鋪設(shè)條件下的冷凍膨脹變化進(jìn)行比較分析，為正確加熱防凍滲透渠道建設(shè)提供理論支持。

2.1原型渠道概況

2.1.1基本情況

喀左縣隸屬遼寧省朝陽市，根據(jù)相關(guān)氣象資料，喀左縣地區(qū)多年平均氣溫為7.2℃，極端最高氣溫為36.6℃，極端最低氣溫為-43.3℃，冬季最大凍土深度為110cm[7]。凍結(jié)日期一般在11月上旬開始，凍結(jié)日期一般在次年3月下旬結(jié)束，往年最大積雪深度約為68cm。

2.1.2相關(guān)參數(shù)

對于模擬計算中的地表溫度值，采用截面不同位置的日照遮陽系數(shù)進(jìn)行修改[8]。其中，陰坡的修正系數(shù)為1.22；渠底的修正系數(shù)為0.74；陽坡的修正系數(shù)為1.02。

2.1.3仿真材料的力學(xué)參數(shù)

在仿真計算過程中，渠道溫度場的變化僅與導(dǎo)熱系數(shù)的變化有關(guān)。在本次研究中，假設(shè)渠道基礎(chǔ)土各向連續(xù)，各異性均勻，基礎(chǔ)土的熱傳導(dǎo)系數(shù)在各向取得相同的數(shù)值:1.84W/(m℃)。

2.2有限元模型的構(gòu)建

本次研究以喀左縣平房灌區(qū)東西走向的橫截面為研究對象，陰坡、陽坡和渠底凍深分別取110cm、65cm和85cm，分別設(shè)置4種采取不同措施的模型。其中，模型1為未鋪設(shè)保溫板，作為比較模型2為全斷面鋪設(shè)6cm厚度的普通保溫版，模型3為全斷面鋪設(shè)厚度10cm的普通保溫板，模型4為鋪設(shè)上節(jié)所述的正確加熱防凍防滲路線模型。在模型計算過程中，將渠道混凝土板和基土作為一個整體進(jìn)行格柵單元劃分，格柵單元采用三角形類型。

3模型計算結(jié)果分析

3.1溫場分析

在ANSYS有限元軟件中選擇plane35熱分析單元進(jìn)行溫場分析。本次選擇的二維有限元模型，為了更好地模擬渠道的凍結(jié)膨脹變化，選擇有陰坡和陽坡的東西向渠道進(jìn)行凍結(jié)膨脹模擬。為了體現(xiàn)冬季渠道最不利工況下的凍脹變化，研究中選擇最冷的1月氣溫值-15.6℃，利用修正系數(shù)獲得陰坡，陽坡和渠道底部的初始溫度分別為-19.1℃、-15.9℃和-11.5℃，下界溫度為0℃。對模型四中加熱區(qū)的保溫板，在渠道基土溫度低于-2℃時施加一定的熱量，當(dāng)渠底的溫度高于5℃時，就停止施加熱量。對模型的各邊界施加相同的溫度荷載，然后利用模型進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，得到模型的溫度場分布特征。通過對4個模型的溫度場對比可以發(fā)現(xiàn)，在無保溫板的情況下，渠道的邊坡和底部的溫度變化十分明顯，當(dāng)渠道鋪設(shè)保溫板時，由于保溫板的導(dǎo)熱系數(shù)比較低，可以有效阻止渠道基土和外界冷空氣的熱交換，能夠有效改變渠道基土的溫度變化，有利于控制和減弱基土的凍結(jié)膨脹。根據(jù)溫度場模擬計算結(jié)果，模型1-模型3的渠道基土溫度隨時間變化呈現(xiàn)出單調(diào)下降的特征，隨著外界溫度達(dá)到當(dāng)?shù)氐钠骄�最低氣溫，渠道基土的溫度首先迅速降低，然后逐步趨于穩(wěn)定。其中，沒有保溫板的路線基礎(chǔ)土，溫度下降最明顯，最低溫度也最低的保溫板對路線基礎(chǔ)土溫度的維持有明顯的作用，但最低溫度下降到-5~-6℃以下，容易誘發(fā)凍結(jié)膨脹破壞的正確加熱保溫板的路線，基礎(chǔ)土溫度達(dá)到-2.7℃時出現(xiàn)拐點，隨著電熱線的工作，基礎(chǔ)土溫度逐漸上升，最終在25min時達(dá)到5℃，然后溫度下降由此可見，正確加熱保溫防滲防凍膨脹途徑是可行的。

3.2位移場地分析

溫度場地分析結(jié)束后，將模型的熱分析單元轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)分析單元，輸入材料的結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)，將溫度場地分析的結(jié)果加入結(jié)構(gòu)分析單元，最后對模型施加邊界限制條件，加載解決。根據(jù)模擬計算結(jié)果，繪制了渠道展開界面的冷凍膨脹量變化曲線。由圖可知，采用精準(zhǔn)加熱保溫防滲防凍脹渠道比普通保溫板的渠底凍脹量減少46%，消減凍脹破壞的作用十分明顯。因此，對于北方寒區(qū)的渠道，如果采用普通襯砌保溫板仍舊不能滿足渠道防凍脹要求的情況下，可以采取精準(zhǔn)加熱保溫防滲防凍脹渠道設(shè)計，以有效保護(hù)渠道襯砌結(jié)構(gòu)免遭凍脹破壞。

4結(jié)語

文中針對北方寒區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)渠道防凍脹要求，以遼寧省喀左縣平房子灌區(qū)東西走向的梯形灌溉渠道典型斷面為例，提出精準(zhǔn)加熱防滲防凍脹渠道設(shè)計，并采用ANSYS有限元軟件對其可行性進(jìn)行了分析計算，主要研究成果如下：1）針對在北方寒區(qū)采用保溫板作為襯砌結(jié)構(gòu)的情況下，部分渠道仍然會發(fā)生凍脹破壞的問題，提出了精準(zhǔn)加熱保溫防滲防凍脹渠道設(shè)計。當(dāng)渠基土發(fā)生凍結(jié)時通過供熱阻止其凍結(jié)，從而實現(xiàn)渠道的防凍脹的精準(zhǔn)化控制。2）通過ANSYS有限元對保溫防滲渠道的模擬發(fā)現(xiàn)，采取精準(zhǔn)加熱保溫防滲防凍脹渠道設(shè)計，以有效保護(hù)渠道襯砌結(jié)構(gòu)免遭凍脹破壞，具有一定的工程實用價值。

經(jīng)過以上介紹，我相信大家對正確的加熱防凍防滲渠道工程設(shè)計分析也有一定的認(rèn)識。歡迎登陸建筑網(wǎng)，查詢更多相關(guān)信息。