车忠新

(抚顺市新宾满族自治县水务局，辽宁 新宾 113200)

科学研究及工程设计

小型U形玻璃钢渠道抗冻胀数值模拟

车忠新

(抚顺市新宾满族自治县水务局，辽宁 新宾 113200)

玻璃钢渠道在我国北方部分灌溉渠道建设中得到应用，其抗冻胀效果得到普遍认可。由于地区差异大，其性能表现也可能存在差异。本文以辽宁新宾县渠道工程为例，通过ANSYS有限元分析，对小型U形玻璃钢渠道模型、混凝土渠道模型的抗冻胀性能进行对比，结果表明：两类渠道模型保温性能差异很小；与混凝土渠道相比，小型U形玻璃钢渠道韧性更强、应力分散作用更显著，小型U形玻璃钢渠道可以更好地维持渠道衬砌板稳定性。

U形玻璃钢渠道；抗冻胀性能；数值模拟

我国东北地区耕地多为粉质黏土，当气温降低至冰点后，若土壤含水量达到一定程度，则极易出现冻胀现象。目前这些地区的灌溉渠道多采用混凝土结构，一旦出现基土冻胀，可能导致渠道变形、塌陷，从而影响渠道使用稳定性，还可能引发严重事故，危害农田及生产者安全。为有效应对渠道基土冻胀危害，黑龙江、宁夏、内蒙古和青海等地尝试推广玻璃钢渠道[1-2]。事实上在水文和地质条件一定时，温度是影响基土冻胀的关键因素[3-4]。在我国各地的温度差异十分显著，在引入玻璃钢渠道时，需要对温度变化与抗冻胀性能的关系进行研究。本文以新宾县农业灌溉渠道为例，通过建立小型U形玻璃钢渠道模型，采用ANSYS软件对其抗冻胀性能进行模拟。通过模拟分析，希望对推动小型U形玻璃钢渠道的应用有积极作用。

1 小型U形玻璃钢渠道原型概况

小型U形玻璃钢渠道原型，为辽宁省新宾县农业灌溉工程示范区。通过对该区域进行地质测量，渠道基土呈显著粉质特征，属于冻胀性土质。该渠道断面为U形。根据工程设计，整体呈南北走向，总长度为1.50km，纵比降为1/8000；渠道宽度为0.98m，深度为0.83m；渠底圆心角为2α=155°，对应半径R为0.45m；斜坡直线段长度L为0.50m，其垂直倾斜度β=13°。在完成渠道开挖后，有两种材质备选方案：ⓐ铺设混凝土，厚度为0.06m；ⓑ铺设玻璃钢，厚度为0.005m(玻璃钢试块见图1)。

2 小型U形玻璃钢渠道有限元模型

2.1 基本假定

在对玻璃钢渠道进行建模分析时，不可能对湿度、温度、含水量、基土土质及衬砌体刚度等进行全面、精确模拟，因此，需对关键要素作如下假定：ⓐ基土各个方向的性质均匀分布；ⓑ在含水量、土质等条件既定时，仅将温度作为抗冻胀性能的影响因素；ⓒ冻结过程中，基土封闭，不再有水体渗入或者渗出；ⓓ衬砌体对渠道抗冻胀不产生影响，渠道各个方向的抗冻胀性能不存在差异。

2.2 有限元基本原理

2.2.1 热传导方程

辽宁地区的渠道冻结过程较长，与热传导过程相同。因此，可根据傅里叶导热定律建立如下稳态二维热传导微分方程[5]：

(1)

式中T——温度，℃；

λ——坐标轴不同方向的导热系数，W/(m·℃)；

ρ——渠道容重，kg/m3；

Q——热源强度(内部)，W/kg；

t——持续时间，h；

c——比热，J/(kg·℃)。

通过式(1)，可以建立有限元分析所需的温度场。然而，在研究渠道导热问题时，还需确定初始条件、边界条件。其中，初始条件表示渠道开始导热时(t=0)的温度分布特征，其表达式为

(2)

边界条件是指渠道基土边缘的换热特征，其表达式为

(3)

在建立起稳态温度场后，即默认渠道基土内无热源。此时，Q=0，且各测试点温度恒定，即

(4)

于是，可将式(1)作如下简化：

(5)

因为已经假设温度在各个方向无差异，即

(6)

于是，式(5)可进一步简化为

(7)

2.2.2 应力应变方程

当环境温度变化时，渠道基土、衬砌体等会发生冻胀变形，从而出现结构应变。依据热应力理论，此时的渠道结构应力应变方程为

(8)

式中γxy——剪应变；

ε——正应变；

τxy——剪应力；

E——弹性模量；

α——衬砌体自由膨胀系数；

Δt——温度变化值；

μ——泊松比。

2.3 参数选取

在采集渠道工程数据后，根据式(1)～式(8)，可得渠道模型主要参数，结果见表1。同时，冻土材料弹性模量随着温度变化有所不同：当温度为-1℃时，弹性模量为10MPa；当温度为-2℃时，弹性模量为26MPa；当温度为-3℃时，弹性模量为33MPa；当温度为-5℃时，弹性模量为46MPa。

表1 玻璃钢与混凝土材料参数选取

2.4 有限元模型建立

根据“中国季节性冻土标准冻深线图”，结合所选渠道工程实际情况，将冻深最大值确定为1.20m。由图2可见，小型U形玻璃钢渠道基土，最大冻深线沿着渠顶板、渠底板下方1.20m分布。以最大冻深线为界线，其上为冻土区(标记为Ⅰ)，其下为非冻土区(标记为Ⅱ)。

图2 渠道基土结构(单位：m)

2.5 有限元计算结果分析

在计算有限元模型热边界条件时，其上边界条件取冻融期最低气温，其下边界条件取冻融期最高气温。由表2可知，本研究中的有限元模型上边界、下边界温度分别为-15.05℃、10.40℃。由于渠道模型位移边界不受约束，因而属于自由冻胀。

表2 2012—2016年冻融周期月平均气温 单位：℃

2.5.1 温度场分析

温度是影响渠道基土冻胀性能的最重要参数，在很大程度上决定着渠道的稳定性。通过将边界温度施加于渠道模型中，可得其温度场分布云图(见图3)。在冻土区，温度变化十分明显，温差梯度也十分明显；在非冻土区，温度线则十分平整。可见，渠道基土深层受到边界温度的影响十分微弱。同时，通过比较渠顶部、斜坡以及底板处温度变化情况可以发现，渠底板下冻土深度明显更小。这表明底板可以起到隔绝冷空气的作用，有利于保护渠底稳定性。

图3 渠道温度场云图(单位：℃)

2.5.2 位移场分析

渠道基土发生冻胀后，会产生垂直方向的冻胀力，同时，渠道基土与衬砌板之间会形成冻结力。在以上两种外力作用下，渠道及其衬砌体会向上位移。为了更加直观地观察渠道位移结果，将其变位数值展开(见图4)。渠道整体存在上抬特征。

图4 渠道衬砌板变位数值模拟展开图

由图4可知，两类渠道冻胀位移呈现如下几个特征：与混凝土渠道位移值相比，阳坡板、阴坡板以及渠底板处，小型U形玻璃钢位移值更小。不过，二者的位移值变化特征十分类似，最大值均出现在两侧(阳坡板略大于阴坡板)；最小值均出现在渠底板。最大位移值之所以会出现在顶板处，是因为顶板基土不受约束，在自由冻胀状态下的冻胀量也就较大。

在渠底，混凝土渠道位移值为4.14cm，小型U形玻璃钢位移值为4.54cm，前者要小于后者；在两侧，混凝土渠道位移值为2.32cm，小型U形玻璃钢位移值为3.26cm，前者要小于后者。

可见，与混凝土渠道相比，小型U形玻璃钢位移值更大。然而，这并不意味着后者安全性和稳定性更低。这是因为，小型U形玻璃钢的弹性模量、厚度均更小，基土冻胀分布更加均匀，对渠道的冻胀力作用也更均匀；同时，小型U形玻璃钢的韧性更佳，当冻土融化后，渠道能够快速恢复至原状。

2.5.3 应力场分析

在进行应力场模拟时，须从法向冻胀力、切向冻胀力这两方面进行。

当基土冻胀后，会对衬砌板形成法向作用力，即为法向冻胀力。当温度设定在-1℃后，基土开始出现冻胀现象。混凝土渠道模型与小型U形玻璃钢渠道模型的法向冻胀力最大值均出现在顶板处。这是因为，顶板处受到水平和纵向双重冻结，加之其约束呈刚性，因而应力最为集中。混凝土渠道模型的法向冻胀力最大值为6.32MPa，小型U形玻璃钢渠道模型的法向冻胀力最大值为6.05MPa。可见，采用玻璃钢渠道可以将法向冻胀力最大值降低4.46%，这可以更有效地防止渠道局部应力过于集中，避免影响其使用安全性。

当基土出现冻胀后，为了阻止渠道衬砌板上抬，冻土会形成下向作用力，即为切向冻胀力。在冻土区，两类模型的切向冻胀力最大值均出现在渠坡与底板相切处左侧。这是因为，渠坡板受到的约束多，且刚性特征显著，故应力在此最为集中。与最大值分布相对应的是，切向冻胀力最小值出现在阳坡一侧。这是因为，阳坡温度相对更高，基土冻胀量更小，加之底板约束小，因而形成较小的切向冻胀力。混凝土渠道模型所对应的切向冻胀力分布在区间[4.69MPa，8.44MPa]，小型U形玻璃钢渠道模型所对应的切向冻胀力分布在区间[4.43MPa，8.02MPa]。

可见，小型U形玻璃钢渠道可以有效地降低切向冻胀力，使基土冻胀所引起的渠道变形可以得到更好的释放，从而增加渠道稳定性。

3 结 语

本文以新宾县灌溉工程示范区的渠道为原型，分别构建混凝土渠道模型、小型U形玻璃钢渠道模型；在完成有限元原理讨论后，选定主要参数，并运用ANYSYS软件构建有限元模型。经过有限元计算，绘制出两类渠道模型的温度场、位移场等云图。

通过分析和讨论，得出如下几点结论：与混凝土渠道模型相比，小型U形玻璃钢渠道模型在韧性、应力分散以及位移控制等方面有更好表现，同时，小型U形玻璃钢渠道具有更好的防渗效果，可以防止冻胀过程中补入含水量而加剧衬砌板变形；两类模型的保温效果不存在显著差异；小型U形玻璃钢渠道可以有效地降低法向冻胀力、切向冻胀力，提升渠道抗压/抗拉性能，从而有效释放渠道变形，提升渠道运行安全性和稳定性。

[1] 郑辉玲. 甘州区盈科干渠工程冻胀破坏的原因及防治措施[J].水利建设与管理, 2011(6):48-49.

[2] 柴振军. 弧底梯形渠道无喉道量水槽水动力学性能分析[J].中国水能及电气化, 2016(10):37-40.

[3] 李根,何武全,宋清林,等. 混凝土衬砌渠道置换防冻胀标准化技术模式[J].节水灌溉,2015(4):79-83.

[4] 唐少容,王红雨,李存云.考虑衬砌板跨度影响的U形渠道热——力耦合研究[J].灌溉排水学报,2015,(11):65-69.

[5] 程传胜,田军仓,王斌,等. 旱寒地区U形玻璃钢和混凝土渠道抗冻胀性能的研究[J]. 水资源与水工程学报,2015(6):173-177.

Numerical Simulation on Freezing Risistance in Small-sized U-shaped Glass Steel Channels

CHE Zhongxin

(FushunXinbinManchuAutonomousWaterSuppliesBureau,Xinbin113200,China)

Glass fiber reinforced plastics have been applied in building of irrigation channels in North China and its freezing risistance effects have obtained high approval. However, due to big regional variance, their performance might vary. This article puts channel project in Xinbin County, Liaoning as an example. Through ANSYS finite element analysis, it carries out comparison on small-scaled U-shaped glass steel channel model and concrete channel model. Results show that the two channel models show minor difference in property of thermal conservation. Compared with concrete channel, small-scaled U-shape glass steel channels are better in tenacity and more significant in stress dispersion effect, so stability of canal lining can be better maintained.

U-shape glass steel channel; freezing risistance performance; numerical simulation

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.013

TV672+.2

A

1673-8241(2017)04- 0049- 04