加热防冻防渗渠道工程设计及模拟探究范文

［摘要］文章以辽宁省喀左县平房子灌区东西走向的梯形灌溉渠道典型断面为例，提出精准加热防渗防冻胀渠道设计。通过ANSYS有限元软件分析计算，说明采取精准加热保温防渗防冻胀渠道设计，可以有效保护渠道衬砌结构免遭冻胀破坏。

［关键词］寒区渠道；冻胀破坏；精准加热；模拟研究

1工程设计

1.1设计原理

渠道防冻胀设计季节性冻土地区灌溉渠道建设的重要课题。目前，我国北方寒区的渠道防冻胀工程措施主要是通过改变渠道结构，达到阻止冬季负温条件下渠道的冻胀破坏的目的[1]。例如，随着新型保温材料制造技术的成熟和成本的降低，在渠道衬砌结构中加入一定厚度的新型保温板可以大幅降低衬砌结构和基土的冷热交换，从而获得良好的防冻胀效果[2]。上述渠道衬砌结构在多年的工程应用中显示，大部分渠道衬砌保持比较完好，但是也有个别渠段的混凝土板出现了不同程度的隆起。究其原因，主要是外部水分下渗以及地下水通过基土进入保温板，在冬季负温作用下造成冻胀破坏[3]。针对这种情况，提出了通过外部热量提供阻止渠道冻胀破坏的精准加热保温防冻胀渠道设计。其基本思路是通过加热和保温双重措施阻止渠道基土的冻结，同时利用加热保温板上附带的防渗层阻止水分进入保温板[4]。同时渠道保温板的通过自动化控制系统实现湿度和温度的自动监控和精准加热，当灌溉渠道的基土下降到冻结的临界温度时，保温板内的电热丝开始工作，当温度上升到设定值时，系统自动断电，停止工作。

1.2防冻防渗复合板的制作

防冻防渗复合板采用新型聚苯乙烯保温板，规格为200cm×180cm×6cm。在保温板中进行宽度为5mm的人工刻槽，从而形成网状镂空层，使电热丝的热量可以均匀扩散，提高加温效果。刻槽完成后进行电热丝的铺设，铺设时采用蛇形铺设方式，并根据渠道不同位置的加热需求确定铺设密度，而无需在每个槽道中均铺设电热丝。在铺设完电热丝后，将聚苯乙烯加热复合板的上下板利用胶结材料进行封闭，防治电热丝的热量通过缝隙散失。然后在保温板的利用一布一膜土工布制作防渗层，方法是土工布的膜面向里，对保温板进行六面环抱的方法进行封包[5]。在渠道基础开挖完毕之后，首先对基土进行夯实，然后在接近坡面接近渠底1/3处埋设温度和湿度传感器，然后在基土层上铺设一层厚度为3cm的1∶9水泥细沙垫层，然后在在垫层上进行保温板的铺设。其中加热保温板铺设在接近渠底1/3至1/4处，其余部位铺设普通保温板。在保温板上铺设厚度为3cm的M7.5水泥砂浆，然后再铺设厚度为6cm的C20混凝土预制块。将已经铺设好的渠道上的各个加温单元与温控箱连接，当渠道某一单元的基土温度降低到-2℃时，埋设在基土中的温度传感器就会发出信号，并将其传输到温控箱中，温控箱闭合开关，渠道保温板中的电热丝开始加热。当基土温度上升到5℃以上时，温度传感器将信号传输至温控箱，温控箱断开电源停止加热。在电热丝停止加热后，保温板中的镂空网格中还存有相当数量的残余热量，从而防止基土的温度迅速降低，因此，各个单元仅需要间断式供电，最大限度保证线路的安全。

2渠道冻胀模拟有限元模型应用

ANSYS有限元软件，以辽宁省喀喇沁左翼蒙古族自治县(以下简称喀左县)平房子灌区东西走向的梯形灌溉渠道典型断面为例，对无保温板、普通保温板以及精准加热保温板三种不同工况进行冻胀应力瞬态数值模拟，对比分析不同铺设条件下的冻胀变化，为精准加热防冻防渗渠道建设提供理论支撑。

2.1原型渠道概况

2.1.1基本情况喀左县隶属于辽宁省朝阳市，根据相关气象资料，喀左县地区多年平均气温为7.2℃，极端最高气温为36.6℃，极端最低气温为-43.3℃，冬季最大冻土深度为110cm[7]。冻结日期一般开始于11月上旬，融冻日期一般结束于翌年的3月下旬，历年最大积雪深度约为68cm。

2.1.2相关参数对于模拟计算中的地表温度值，采取断面不同位置的日照遮阳系数进行修正[8]。其中，阴坡的修正系数为1.22；渠底的修正系数为0.74；阳坡的修正系数为1.02。原渠道的基本参数如表1所示。

2.1.3模拟材料的力学参数在模拟计算过程中，渠道温度场的变化仅和导热系数的变化有关。在这次研究中，假设渠道基土各向连续、均匀各项同异性，所以，基土的导热系数在各个方向取相同的数值：1.84W/（m•℃）。各材料的力学参数如表2所示。

2.2有限元模型的构建

这次研究以喀左县平房子灌区东西走向的横断面作为研究对象，阴坡、阳坡和渠底的冻深分别取110cm、65cm和85cm，分别建立四种采取不同措施的模型。其中，模型1为未铺设保温板，作为对比模型；模型2为全断面铺设6cm厚的普通保温版；模型3为全断面铺设厚度为10cm的普通保温板；模型4为铺设上节所述的精准加热防冻防渗渠道模型。在模型计算过程中，将渠道的混凝土板和基土作为一个整体进行网格单元划分，网格单元采用三角形类型。

3模型计算结果分析

3.1温度场分析

在ANSYS有限元软件中选择plane35热分析单元进行温度场求解分析。由于这次选用的二维有限元模型，为了更好的模拟渠道的冻胀变化，因此，选取存在阴坡和阳坡的东西走向渠道进行冻胀模拟。为了体现渠道在冬季最不利工况下的冻胀变化，研究中选取最寒冷的1月份的气温值-15.6℃，然后利用修正系数获得阴坡、阳坡和渠底的初始温度，分别为-19.1℃、-15.9℃和-11.5℃，下边界的温度取0℃。对模型四中加热区的保温板，在渠道基土温度低于-2℃时施加一定的热量，当渠底的温度高于5℃时，就停止施加热量。对模型的各边界施加相同的温度荷载，然后利用模型进行瞬态热分析，得到模型的温度场分布特征。通过对4个模型的温度场对比可以发现，在无保温板的情况下，渠道的边坡和底部的温度变化十分明显，当渠道铺设保温板时，由于保温板的导热系数比较低，可以有效阻止渠道基土和外界冷空气的热交换，能够有效改变渠道基土的温度变化，有利于控制和减弱基土的冻结膨胀。根据温度场模拟计算结果，可以绘制出如图1所示的各模型设置精准加热保温板处渠道基土温度随时间变化的曲线。由图1可知，模型1-模型3的渠道基土温度随时间变化呈现出单调下降的特征，随着外界温度达到当地的平均最低气温，渠道基土的温度首先迅速降低，然后逐步趋于稳定。其中，没有保温板的渠道基土，温度下降最为明显，最低温度也最低；保温板对渠道基土温度的保持有明显作用，但是最低温度仍可下降到-5~-6℃以下，容易诱发冻胀破坏；在设置有精准加热保温板的渠道，基土的温度达到-2.7℃时出现拐点，然后随着电热丝的工作，基土温度逐步升高，最终在25min时达到5℃，随后温度呈递减趋势，说明电热丝停止工作。由此可见，通过精准加热保温防渗防冻胀渠道是切实可行的。

3.2位移场分析

在温度场分析结束后，将模型的热分析单元转变为结构分析单元，输入材料的结构力学参数，将温度场分析的结果施加于结构分析单元，最后对模型施加边界约束条件，并载入求解。根据模拟计算结果绘制出渠道展开界面的冻胀量变化曲线。由图可知，采用精准加热保温防渗防冻胀渠道比普通保温板的渠底冻胀量减少46%，消减冻胀破坏的作用十分明显。因此，对于北方寒区的渠道，如果采用普通衬砌保温板仍旧不能满足渠道防冻胀要求的情况下，可以采取精准加热保温防渗防冻胀渠道设计，以有效保护渠道衬砌结构免遭冻胀破坏。

4结语

文中针对北方寒区季节性冻土区渠道防冻胀要求，以辽宁省喀左县平房子灌区东西走向的梯形灌溉渠道典型断面为例，提出精准加热防渗防冻胀渠道设计，并采用ANSYS有限元软件对其可行性进行了分析计算，主要研究成果如下：1）针对在北方寒区采用保温板作为衬砌结构的情况下，部分渠道仍然会发生冻胀破坏的问题，提出了精准加热保温防渗防冻胀渠道设计。当渠基土发生冻结时通过供热阻止其冻结，从而实现渠道的防冻胀的精准化控制。2）通过ANSYS有限元对保温防渗渠道的模拟发现，采取精准加热保温防渗防冻胀渠道设计，以有效保护渠道衬砌结构免遭冻胀破坏，具有一定的工程实用价值。

［参考文献］

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［3］汪伦焰.大型引水渠道衬砌施工和管理［M］.北京：中国水利水电出版社，2014.

［4］安鹏，邢义川，张爱军.基于部分保温法的渠道保温板厚度计算与数值模拟［J］.农业工程学报.2013（17）：132-138.

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［8］郭利霞，王正中，李甲林，张茹，钟凌.梯形与准梯形渠道冻胀有限元分析［J］.节水灌溉，2007（04）：44-47.

［9］李书杰.高地温隧洞衬砌结构应力变形分析及降温措施［J］.水利规划与设计，2016（01）：109-113.

作者：孙国梅 单位：喀左县水利局