精準加熱防凍防滲渠道工程設(shè)計
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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，提出精準加熱防滲防凍脹渠道設(shè)計。通過ANSYS有限元軟件分析計算，說明采取精準加熱保溫防滲防凍脹渠道設(shè)計，可以有效保護渠道襯砌結(jié)構(gòu)免遭凍脹破壞。
［關(guān)鍵詞］寒區(qū)渠道；凍脹破壞；精準加熱；模擬研究
1.1設(shè)計原理
渠道防凍脹設(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)的渠道防凍脹工程措施主要是通過改變渠道結(jié)構(gòu)，達到阻止冬季負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基土進入保溫板，在冬季負溫作用下造成凍脹破壞[3]。針對這種情況，提出了通過外部熱量提供阻止渠道凍脹破壞的精準加熱保溫防凍脹渠道設(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上附帶的防滲層阻止水分進入保溫板[4]。同時渠道保溫板的通過自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)濕度和溫度的自動監(jiān)控和精準加熱，當灌溉渠道的基土下降到凍結(jié)的臨界溫度時，保溫板內(nèi)的電熱絲開始工作，當溫度上升到設(shè)定值時，系統(tǒng)自動斷電，停止工作。
1.2防凍防滲復合板的制作
防凍防滲復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散，提高加溫效果?？滩弁瓿珊筮M行電熱絲的鋪設(shè)，鋪設(shè)時采用蛇形鋪設(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，而無需在每個槽道中均鋪設(shè)電熱絲。在鋪設(shè)完電熱絲后，將聚苯乙烯加熱復合板的上下板利用膠結(jié)材料進行封閉，防治電熱絲的熱量通過縫隙散失。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，對保溫板進行六面環(huán)抱的方法進行封包[5]。在渠道基礎(chǔ)開挖完畢之后，首先對基土進行夯實，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水泥細沙墊層，然后在在墊層上進行保溫板的鋪設(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)好的渠道上的各個加溫單元與溫控箱連接，當渠道某一單元的基土溫度降低到-2℃時，埋設(shè)在基土中的溫度傳感器就會發(fā)出信號，并將其傳輸?shù)綔乜叵渲?，溫控箱閉合開關(guān)，渠道保溫板中的電熱絲開始加熱。當基土溫度上升到5℃以上時，溫度傳感器將信號傳輸至溫控箱，溫控箱斷開電源停止加熱。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，對無保溫板、普通保溫板以及精準加熱保溫板三種不同工況進行凍脹應(yīng)力瞬態(tài)數(shù)值模擬，對比分析不同鋪設(shè)條件下的凍脹變化，為精準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)
對于模擬計算中的地表溫度值，采取斷面不同位置的日照遮陽系數(shù)進行修正[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；陽坡的修正系數(shù)為1.02。
2.1.3模擬材料的力學參數(shù)
在模擬計算過程中，渠道溫度場的變化僅和導熱系數(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)、均勻各項同異性，所以，基土的導熱系數(shù)在各個方向取相同的數(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象，陰坡、陽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)所述的精準加熱防凍防滲渠道模型。在模型計算過程中，將渠道的混凝土板和基土作為一個整體進行網(wǎng)格單元劃分，網(wǎng)格單元采用三角形類型。
3模型計算結(jié)果分析
3.1溫度場分析
在ANSYS有限元軟件中選擇plane35熱分析單元進行溫度場求解分析。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，選取存在陰坡和陽坡的東西走向渠道進行凍脹模擬。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，當渠道鋪設(shè)保溫板時，由于保溫板的導熱系數(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，隨著外界溫度達到當?shù)氐钠骄畹蜌鉁?，渠道基土的溫度首先迅速降低，然后逐步趨于穩(wěn)定。其中，沒有保溫板的渠道基土，溫度下降最為明顯，最低溫度也最低；保溫板對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)置有精準加熱保溫板的渠道，基土的溫度達到-2.7℃時出現(xiàn)拐點，然后隨著電熱絲的工作，基土溫度逐步升高，最終在25min時達到5℃，隨后溫度呈遞減趨勢，說明電熱絲停止工作。由此可見，通過精準加熱保溫防滲防凍脹渠道是切實可行的。
3.2位移場分析
在溫度場分析結(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)力學參數(shù)，將溫度場分析的結(jié)果施加于結(jié)構(gòu)分析單元，最后對模型施加邊界約束條件，并載入求解。根據(jù)模擬計算結(jié)果繪制出渠道展開界面的凍脹量變化曲線。由圖可知，采用精準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，可以采取精準加熱保溫防滲防凍脹渠道設(shè)計，以有效保護渠道襯砌結(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，提出了精準加熱保溫防滲防凍脹渠道設(shè)計。當渠基土發(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)，采取精準加熱保溫防滲防凍脹渠道設(shè)計，以有效保護渠道襯砌結(jié)構(gòu)免遭凍脹破壞，具有一定的工程實用價值。
作者：孫國梅 單位：喀左縣水利局
