精準(zhǔn)加熱防凍防滲渠道工程設(shè)計(jì)
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［摘要］文章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(jì)。通過(guò)ANSYS有限元軟件分析計(jì)算，說(shuō)明采取精準(zhǔn)加熱保溫防滲防凍脹渠道設(shè)計(jì)，可以有效保護(hù)渠道襯砌結(jié)構(gòu)免遭凍脹破壞。
［關(guān)鍵詞］寒區(qū)渠道；凍脹破壞；精準(zhǔn)加熱；模擬研究
1.1設(shè)計(jì)原理
渠道防凍脹設(shè)計(jì)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(guó)北方寒區(qū)的渠道防凍脹工程措施主要是通過(guò)改變渠道結(jié)構(gòu)，達(dá)到阻止冬季負(fù)溫條件下渠道的凍脹破壞的目的[1]。例如，隨著新型保溫材料制造技術(shù)的成熟和成本的降低，在渠道襯砌結(jié)構(gòu)中加入一定厚度的新型保溫板可以大幅降低襯砌結(jié)構(gòu)和基土的冷熱交換，從而獲得良好的防凍脹效果[2]。上述渠道襯砌結(jié)構(gòu)在多年的工程應(yīng)用中顯示，大部分渠道襯砌保持比較完好，但是也有個(gè)別渠段的混凝土板出現(xiàn)了不同程度的隆起。究其原因，主要是外部水分下滲以及地下水通過(guò)基土進(jìn)入保溫板，在冬季負(fù)溫作用下造成凍脹破壞[3]。針對(duì)這種情況，提出了通過(guò)外部熱量提供阻止渠道凍脹破壞的精準(zhǔn)加熱保溫防凍脹渠道設(shè)計(jì)。其基本思路是通過(guò)加熱和保溫雙重措施阻止渠道基土的凍結(jié)，同時(shí)利用加熱保溫板上附帶的防滲層阻止水分進(jìn)入保溫板[4]。同時(shí)渠道保溫板的通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)濕度和溫度的自動(dòng)監(jiān)控和精準(zhǔn)加熱，當(dāng)灌溉渠道的基土下降到凍結(jié)的臨界溫度時(shí)，保溫板內(nèi)的電熱絲開(kāi)始工作，當(dāng)溫度上升到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)斷電，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的人工刻槽，從而形成網(wǎng)狀鏤空層，使電熱絲的熱量可以均勻擴(kuò)散，提高加溫效果?？滩弁瓿珊筮M(jìn)行電熱絲的鋪設(shè)，鋪設(shè)時(shí)采用蛇形鋪設(shè)方式，并根據(jù)渠道不同位置的加熱需求確定鋪設(shè)密度，而無(wú)需在每個(gè)槽道中均鋪設(shè)電熱絲。在鋪設(shè)完電熱絲后，將聚苯乙烯加熱復(fù)合板的上下板利用膠結(jié)材料進(jìn)行封閉，防治電熱絲的熱量通過(guò)縫隙散失。然后在保溫板的利用一布一膜土工布制作防滲層，方法是土工布的膜面向里，對(duì)保溫板進(jìn)行六面環(huán)抱的方法進(jìn)行封包[5]。在渠道基礎(chǔ)開(kāi)挖完畢之后，首先對(duì)基土進(jìn)行夯實(shí)，然后在接近坡面接近渠底1/3處埋設(shè)溫度和濕度傳感器，然后在基土層上鋪設(shè)一層厚度為3cm的1∶9水泥細(xì)沙墊層，然后在在墊層上進(jìn)行保溫板的鋪設(shè)。其中加熱保溫板鋪設(shè)在接近渠底1/3至1/4處，其余部位鋪設(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，然后再鋪設(shè)厚度為6cm的C20混凝土預(yù)制塊。將已經(jīng)鋪設(shè)好的渠道上的各個(gè)加溫單元與溫控箱連接，當(dāng)渠道某一單元的基土溫度降低到-2℃時(shí)，埋設(shè)在基土中的溫度傳感器就會(huì)發(fā)出信號(hào)，并將其傳輸?shù)綔乜叵渲?，溫控箱閉合開(kāi)關(guān)，渠道保溫板中的電熱絲開(kāi)始加熱。當(dāng)基土溫度上升到5℃以上時(shí)，溫度傳感器將信號(hào)傳輸至溫控箱，溫控箱斷開(kāi)電源停止加熱。在電熱絲停止加熱后，保溫板中的鏤空網(wǎng)格中還存有相當(dāng)數(shù)量的殘余熱量，從而防止基土的溫度迅速降低，因此，各個(gè)單元僅需要間斷式供電，最大限度保證線路的安全。
2渠道凍脹模擬有限元模型
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(jiǎn)稱喀左縣)平房子灌區(qū)東西走向的梯形灌溉渠道典型斷面為例，對(duì)無(wú)保溫板、普通保溫板以及精準(zhǔn)加熱保溫板三種不同工況進(jìn)行凍脹應(yīng)力瞬態(tài)數(shù)值模擬，對(duì)比分析不同鋪設(shè)條件下的凍脹變化，為精準(zhǔn)加熱防凍防滲渠道建設(shè)提供理論支撐。
2.1原型渠道概況
2.1.1基本情況
喀左縣隸屬于遼寧省朝陽(yáng)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)日期一般開(kāi)始于11月上旬，融凍日期一般結(jié)束于翌年的3月下旬，歷年最大積雪深度約為68cm。
2.1.2相關(guān)參數(shù)
對(duì)于模擬計(jì)算中的地表溫度值，采取斷面不同位置的日照遮陽(yáng)系數(shù)進(jìn)行修正[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(yáng)坡的修正系數(shù)為1.02。
2.1.3模擬材料的力學(xué)參數(shù)
在模擬計(jì)算過(guò)程中，渠道溫度場(chǎng)的變化僅和導(dǎo)熱系數(shù)的變化有關(guān)。在這次研究中，假設(shè)渠道基土各向連續(xù)、均勻各項(xiàng)同異性，所以，基土的導(dǎo)熱系數(shù)在各個(gè)方向取相同的數(shù)值：1.84W/（m•℃）。
2.2有限元模型的構(gòu)建
這次研究以喀左縣平房子灌區(qū)東西走向的橫斷面作為研究對(duì)象，陰坡、陽(yáng)坡和渠底的凍深分別取110cm、65cm和85cm，分別建立四種采取不同措施的模型。其中，模型1為未鋪設(shè)保溫板，作為對(duì)比模型；模型2為全斷面鋪設(shè)6cm厚的普通保溫版；模型3為全斷面鋪設(shè)厚度為10cm的普通保溫板；模型4為鋪設(shè)上節(jié)所述的精準(zhǔn)加熱防凍防滲渠道模型。在模型計(jì)算過(guò)程中，將渠道的混凝土板和基土作為一個(gè)整體進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?，網(wǎng)格單元采用三角形類型。
3模型計(jì)算結(jié)果分析
3.1溫度場(chǎng)分析
在ANSYS有限元軟件中選擇plane35熱分析單元進(jìn)行溫度場(chǎng)求解分析。由于這次選用的二維有限元模型，為了更好的模擬渠道的凍脹變化，因此，選取存在陰坡和陽(yáng)坡的東西走向渠道進(jìn)行凍脹模擬。為了體現(xiàn)渠道在冬季最不利工況下的凍脹變化，研究中選取最寒冷的1月份的氣溫值-15.6℃，然后利用修正系數(shù)獲得陰坡、陽(yáng)坡和渠底的初始溫度，分別為-19.1℃、-15.9℃和-11.5℃，下邊界的溫度取0℃。對(duì)模型四中加熱區(qū)的保溫板，在渠道基土溫度低于-2℃時(shí)施加一定的熱量，當(dāng)渠底的溫度高于5℃時(shí)，就停止施加熱量。對(duì)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(chǎng)分布特征。通過(guò)對(duì)4個(gè)模型的溫度場(chǎng)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在無(wú)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(shí)，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(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果，模型1-模型3的渠道基土溫度隨時(shí)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)氐钠骄畹蜌鉁兀阑恋臏囟仁紫妊杆俳档?，然后逐步趨于穩(wěn)定。其中，沒(méi)有保溫板的渠道基土，溫度下降最為明顯，最低溫度也最低；保溫板對(duì)渠道基土溫度的保持有明顯作用，但是最低溫度仍可下降到-5~-6℃以下，容易誘發(fā)凍脹破壞；在設(shè)置有精準(zhǔn)加熱保溫板的渠道，基土的溫度達(dá)到-2.7℃時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，然后隨著電熱絲的工作，基土溫度逐步升高，最終在25min時(shí)達(dá)到5℃，隨后溫度呈遞減趨勢(shì)，說(shuō)明電熱絲停止工作。由此可見(jiàn)，通過(guò)精準(zhǔn)加熱保溫防滲防凍脹渠道是切實(shí)可行的。
3.2位移場(chǎng)分析
在溫度場(chǎng)分析結(jié)束后，將模型的熱分析單元轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(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(chǎng)分析的結(jié)果施加于結(jié)構(gòu)分析單元，最后對(duì)模型施加邊界約束條件，并載入求解。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果繪制出渠道展開(kāi)界面的凍脹量變化曲線。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(duì)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(jì)，以有效保護(hù)渠道襯砌結(jié)構(gòu)免遭凍脹破壞。
4結(jié)語(yǔ)
文中針對(duì)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(jì)，并采用ANSYS有限元軟件對(duì)其可行性進(jìn)行了分析計(jì)算，主要研究成果如下：1）針對(duì)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(huì)發(fā)生凍脹破壞的問(wèn)題，提出了精準(zhǔn)加熱保溫防滲防凍脹渠道設(shè)計(jì)。當(dāng)渠基土發(fā)生凍結(jié)時(shí)通過(guò)供熱阻止其凍結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)渠道的防凍脹的精準(zhǔn)化控制。2）通過(guò)ANSYS有限元對(duì)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(jì)，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(shí)用價(jià)值。
作者：孫國(guó)梅 單位：喀左縣水利局
