補水方式對灌溉渠道渠基土凍脹特征的影響

羅洪海

(撫順大伙房水庫水源保護有限責任公司，遼寧 撫順 113000)

1 計算模型與方法

1.1 計算模型的構建

目前，可以用于渠道基土和襯砌結構數值模擬分析的軟件較多，ABAQUS、ANSYS 等都是應用比較廣泛的有限元軟件。其中，ANSYS軟件由美國ANSYS公司開發，可以用于襯砌結構渠道的水熱力三場耦合分析，將較為復雜的渠基土凍脹物理因素影響轉變為比較簡單的靜力學分析。因此，此次研究選擇該軟件進行有限元計算模型的構建[1]。

此次研究以遼寧省沈陽市某灌溉渠道為背景進行有限元模型的構建。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。經過工程現場的采樣試驗，渠基土為低液限粉質砂土，在凍結過程中各方向的導熱系數變化不大，凍土的線膨脹系數為-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坡受到的日照強度不同，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構視為一個整體進行模型構建，然后，進行水熱應力耦合計算[2]。在模型的網格剖分過程中，采用自由劃分和人工控制相結合的方式進行，最終獲得18 223個網格單元，19 235個節點。

1.2 邊界條件和計算過程

在相關研究中，溫度場邊界條件主要有溫度邊界條件、熱流邊界條件以及對流換熱邊界條件等三類[3]。此次研究中對模型的上邊界采用對流換熱邊界條件。根據工程現場的實際監測數據，渠基土凍結前渠基表面的溫度為3.1 ℃。計算模擬時間為11月1日—次年的2月28日，歷時120 d。該時間段分為12組，以每10 d平均氣溫作為計算氣溫，其具體數值由當地氣象資料獲取。模型渠道基底采用溫度邊界條件，在計算過程中保持12 ℃的恒溫不變。模型的側面采用熱流邊界條件，其密度為0 kg/m3。

計算過程中將渠道基土視為各向同性的均質線彈性材料，渠基土的相變溫度設定為-1 ℃，將基土凍結過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題處理，忽略長度方向產生的差異[4]。

計算過程中待模型的初始靜力平衡之后，其溫度場的控制模型邊界溫度演變實質為熱傳導過程，模擬計算采用顯式求解算法，運用各向同性的傳導方式對渠道基土凍脹過程進行模擬計算[5]。

1.3 計算方案

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

2 結果與分析

2.1 溫度場

利用構建的有限元軟件對不同計算方案下渠基土的溫度場分布特征進行計算，在計算結果中提取出渠基土最低溫度值。根據計算結果繪制出如圖2所示的渠基土最低溫度變化曲線。由圖2可以看出，試驗時段內各方案下渠基土的最低溫度呈現出不斷降低并最終趨于穩定的變化特點。在其余條件相同的情況下，渠基土的溫度受到補水方式的顯著影響，不同補水方案下渠基土的最低溫度存在比較顯著的差異。具體來看，渠基土溫度最低的為方案一，也就是封閉系統方案，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，主要是等質量的土凍結時釋放的熱量遠小于水。因此，有外來水分補給的方案二和方案三的溫度降低速率相對較小。此外，方案三為渠道有水狀態，因此，可以進一步阻止渠基土熱量向外界散失，溫度相對較高。

圖2 各方案渠基土最低溫度變化曲線

2.2 水分場

利用構建的有限元軟件對不同計算方案下渠基土的水分場分布特征進行計算，在計算結果中提取出試驗結束后不同深度的基土含水率。根據計算結果繪制出如圖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，基土含水率呈現出不斷增加并趨于穩定的變化特征。從不同方案的對比來看，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

利用構建的有限元模型對不同計算方案下渠基土的凍脹變形特征進行計算，在計算結果中提取出渠基土凍脹量的最大值。根據計算結果繪制出如圖4所示的渠基土凍脹量最大值變化曲線。由圖4可以看出，從計算結果可以看出，凍脹量呈現出先增大后趨于平穩的變化趨勢，前70 d的凍脹量增速較大，之后凍脹量的增長極為有限。從不同計算方案的對比來看，方案一的凍脹量相對較小，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，渠道基土的含水率和水分補給是凍脹量的主要影響因素，在相關研究和工程設計中需要重點考慮。

圖4 凍脹量變化曲線

3 結 語

水體是導致土體凍脹的重要影響因素，對灌溉渠道而言，基土的水含量和補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水方式對凍脹特征的影響具有重要的理論意義和工程實用價值?；诖?，此次研究從具體工程背景情況出發，設計3種不同的基土水分補給方式，并利用數值模擬的方式展開研究，獲得溫度、含水率以及凍脹量的變化特征。結果顯示，渠基土水分補給來源越豐富，其平均溫度和含水率越高，凍脹量越大。當然，此次研究并沒有針對基土不同位置展開更詳細的研究，需要在今后進行進一步的改進和完善。