苯板保温在混凝土衬砌渠道中的应用及数值模拟

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1、第44卷第5期人民长江Vo1．44，No．52013年3月YangtzeRiverMar．，2013文章编号：1001—4179(2013)05—0057—0d苯板保温在混凝土衬砌渠道中的应用及数值模拟郭睛，娄宗科，郭启胜2(1．西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100；2．内蒙古自治区水利水电勘测设计院，内蒙古呼和浩特010020)摘要：目前聚苯乙烯板已作为渠道衬砌保温材料(苯板)被广泛使用，但在施工时还不能科学地确定渠道不同位置的苯板铺设厚度。针对在内蒙古河套地区进行的渠道衬砌防冻胀现场试验，采用有限元分析软件AN．SYS分析了不同厚度的保温板对

2、渠系建筑物的温度场、位移场的影响，得到渠道不同位置处的冻胀量，并将其与实测数据比较，结果较为一致。通过综合分析，对重粉质壤土渠道给出了渠道不同部位合理的保温板铺设厚度，从而为渠道保温板施工提供了技术支持。关键词：聚苯乙烯保温板；温度场；位移场；数值模拟；冻胀中图法分类号：TV41文献标志码：A我国北方的几大灌区地处季节冻土区，大量的渠1工程应用实例及分析系水工建筑物由于基土冻胀问题而产生破坏。目前，就我国四大灌区之一的内蒙古河套地区而言，一些地1．1工程概况段虽铺设了聚苯乙烯保温板，但还不能明确地确定不内蒙古河套灌区西济支渠位于黄河河套沉积平原同位置的铺设厚度，只是

3、盲目地使用，造成极大的浪区，地势南高北低，地面高程在1037．4～1034．4m之费。这主要是因为没有彻底搞清渠道冻融破坏的内在间，地面坡降为1／3000～1／4000，土地较平整。西原因，不能有效地采取防冻胀措施，只是被动地进行防济支渠梯形渠道的混凝土衬砌断面及其冻土实测数据护。分别见图1和表1。对于渠道冻胀问题的理论求解¨，有限差分法和有限元法是普遍采用的两种数值计算方法。在渠道冻胀研究领域，有限差分法局限于规则的网格划分，对单元本身特性不予考虑，因而使其应用受到相应限制，目前主要用于一维问题的求解，对边界条件复杂的渠道冻胀问题仍然难以计算。有限元法克服了有限差

4、分法的缺点，能够灵活地考虑各种边界条件，在计算渠道冻胀问题方面显示出极大的优越性，因此本文在渠道冻胀问题的计算中采用了这一方法。图1西济支渠衬砌渠道试验段断面(尺寸单位：mm)收稿日期：2012—08—17基金项目：“十二五”农村领域国家科技计划项目(2011BAD25B04)；“十二五”科技支撑计划课题(2012BAD08B01)作者简介：郭婧，女，硕士研究生，主要从事水工结构数值模拟研究。E—mail：jingguol0t5@126．eom通讯作者：娄宗科，男，教授，硕士生导师，主要从事水工结构设计理论、水工材料耐久性与建筑物健康诊断及修复技术、渠道防渗抗冻胀技

5、术等方面的研究。E—mail：slxlzk@163．com581．2有限元分析外，其余均受和Y双向约束(U=0，U=0)；模型上边界自由冻胀不受约束。1．2．1参数选取1．2．4模型建立及分析通过对西济支渠渠道土质、气候以及梯形渠道冻首先根据实例的基本情况建立实体模型，再由热胀机理的综合分析，渠床土质类型为重粉质壤土，由参传导方程选定plane55单元，定义材料属性即把实例考文献[4]确定以下参数。表1原型渠道冻胀情况的参数输入，之后进行网格划分，然后把两个边界条件加载进去求解。根据实际测量，渠道顶部水平部分在1．5m的范围内都会对渠道基土温度场产生影响，因此在建立

6、有保温措施的模型时都在渠道水平部分延伸150CIn。不同保温措施苯板厚度见表4。温度场计算仅与导热系数A有关，取基土冻结时表4不同保温措施的cnl导热系数A：1．8373W／(m·℃)。进行热力耦合计渠底算时，视冻胀系数为负线膨胀系数，鉴于渠床土为重粉模型——酉_渠底质壤土，冻结温度接近0℃，故采用0℃为基准。由于26453854实测参数有限，不考虑纵横向的差异，取冻土统一冻胀4644系数为rl／T，其中为冻胀率，为温度，参考表1，5844阴、阳坡及渠底分别取9．1％、11．7％和21．8％。基土6843弹性模量及泊松比按参考文献[5]选取。其他材料力7104388

7、34学参数如表2所示。表2材料力学参数2计算机模拟结果与分析2．1温度场分析由图2和图3对比分析可知，有保温层与无保温层两种情况的渠基土温度场分布截然不同。无保温层的温度分布较均匀，加入聚苯乙烯保温板作为保温措根据国标GB10801—89和SL18—2006(渠道防渗工程技术规范》中对衬砌渠道使用保温板的要求，试施后，温度场分布发生了显著变化，零温线明显上抬。说明加入的保温材料阻断了大量冷空气的进入，提高验采用的聚苯乙烯保温板的密度为20kg／m，聚苯乙烯保温板的力学性能见表3。了地基温度场，使基土冻结时间推迟或基土不发生冻表3聚苯乙烯保温板物理力学性能结，对衬