基于有限元分析的高地下水位砼襯砌渠道凍脹損壞斷裂研究

鄒志華

摘 要：在地下水水位比較高的地方，容易發(fā)生渠道凍脹的現(xiàn)象，因此在建造實(shí)施水利工程項(xiàng)目時(shí)，首先要克服渠道凍脹損壞的難點(diǎn)。在借鑒已有理論如凍土凍土力學(xué)、三場(chǎng)耦合、材料力學(xué)、彈性力學(xué)、滲流等理論之后，本研究分析了渠道基土凍脹以及襯砌結(jié)構(gòu)，并構(gòu)建了渠道砼襯砌凍脹損壞力學(xué)模型以及凍土的彈性本構(gòu)模型，利用模型模擬來(lái)凍脹過(guò)程中三場(chǎng)耦合的數(shù)據(jù)，最后得到新型的防凍脹結(jié)構(gòu)來(lái)預(yù)防渠道的凍害發(fā)生。

關(guān)鍵詞：砼襯砌渠道 高地下水位 凍脹損壞斷裂 數(shù)據(jù)模擬

1、構(gòu)建力學(xué)模型

跟普通梯形渠道比較，弧底梯形混凝土襯砌渠道的結(jié)構(gòu)具有整體性強(qiáng)的特點(diǎn)，渠道襯砌板因凍脹出現(xiàn)損壞的可能性隨著渠底的法向凍脹力減小而減??；渠道混凝土襯砌底板及邊坡板和梯形渠道襯砌體發(fā)生損壞的特點(diǎn)相似，在受到重力、凍結(jié)力、凍脹力、底板與坡板約束力等復(fù)雜的相互作用肌理下，就會(huì)發(fā)生損壞。對(duì)渠道底板來(lái)說(shuō)，凍脹力會(huì)使底板上抬，在坡板的約束下，由于發(fā)生凍脹變形會(huì)出現(xiàn)中間大兩邊小的特點(diǎn)，因此會(huì)在中間出現(xiàn)彎曲甚至折斷的現(xiàn)象。

2、模擬有限元的數(shù)據(jù)

考慮到原型渠道的現(xiàn)實(shí)條件，本研究以凍深作為邊界選取有限元模型。具體數(shù)據(jù)為：陽(yáng)坡邊界的法向凍深為十厘米，渠頂距襯砌板的寬度設(shè)為十厘米，另外，陰坡邊界的法向凍深為八十厘米，渠頂距襯砌板的寬度設(shè)為八十厘米。在渠底到襯砌的距離從法向八十厘米，到渠底法向六十厘米，最后減少到四十七厘米。模擬有限元的數(shù)據(jù)時(shí)把襯砌板和凍土看做一個(gè)整體，并利用映射網(wǎng)格劃分的方法來(lái)形成圖元，最后劃分模型的有限元單元，劃分的結(jié)果如下，節(jié)點(diǎn)共836個(gè)。

3、分析數(shù)據(jù)和結(jié)果

當(dāng)渠基土發(fā)生凍脹時(shí)，會(huì)收到土質(zhì)、襯砌體剛度、溫度、水分狀況等各項(xiàng)因子的干擾，因此進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬時(shí)往往不夠精準(zhǔn)，所以模擬之前應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)化各項(xiàng)因素，采取合適的假設(shè)，以便更快地找到渠道發(fā)生凍脹受力、變形的規(guī)律性。

3.1計(jì)算流程

3.1.1熱分析邊界條件并計(jì)算溫度場(chǎng)

在熱分析單元類型中選擇較為合適的，選擇原型渠道各個(gè)區(qū)域每個(gè)月平均表面溫度里面12月份的溫度，做為熱邊界條件的上邊界條件，在兩側(cè)渠頂以及混凝土襯砌體的表面施加該溫度；將下邊界的凍結(jié)溫度取值零度，范圍就是凍深[11-13]。

3.1.2計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)

計(jì)算完熱分析后，將單元類型轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)靜力分析，設(shè)定位移邊界條件：在凍土兩邊的豎直段受到Y(jié)向的水平約束（uY=0），在凍土的下邊界，除了兩邊的斜坡段受到Y(jié)向和Z向的雙約束（uY=0，uZ=0）外，其它的均受到Z向的垂直約束（uZ=0）；此外，上邊界發(fā)生的自由凍脹則沒(méi)有收到任何約束。在采用ADINA軟件來(lái)分析位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)時(shí)，加在模型上的荷載采用的是熱分析的數(shù)據(jù)。

3.2分析得出的計(jì)算結(jié)果

3.2.1位移場(chǎng)

從下圖可知，凍脹力的影響使得弧底梯形渠道變位最大的情況發(fā)生在陰坡，陽(yáng)坡第二，變位最小的是渠底，模擬的結(jié)果和實(shí)際工程的情況相吻合。而坡腳處突變的情況不作用在渠底，使得基土凍脹受到襯砌板約束的情況好轉(zhuǎn)，凍脹變形發(fā)生的方向以及大小夜呈現(xiàn)出連續(xù)的狀態(tài)，凍脹量的分布相對(duì)均勻。根據(jù)以上的計(jì)算結(jié)果，得到沿襯砌板長(zhǎng)方向上的的凍脹量情況如下圖。從圖中可以看出，陽(yáng)坡的最大凍脹量是3.6cm，陰坡的最大凍脹量是4.1cm，渠底的最大凍脹量是2.7cm，和實(shí)際工程的情況相一致，誤差不超過(guò)百分之五，數(shù)據(jù)具有精確性。

3.2.2溫度場(chǎng)

下圖為模擬后得出的溫度等值線，從圖中可知，渠道會(huì)受到東西走向的干擾，導(dǎo)致陽(yáng)坡和陰坡的溫度存在較大的差別，陽(yáng)坡的溫度梯度比陰坡的要小，而各坡的溫度分布規(guī)律相一致，凍深的分布狀況也具有相似性。

4、結(jié)論

在有限元理論的基礎(chǔ)上，將實(shí)際渠道作為研究對(duì)象構(gòu)建起簡(jiǎn)化的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)耦合模型，模擬這三者對(duì)渠道凍脹影響的程度數(shù)據(jù)，該模型可以科學(xué)、準(zhǔn)確地反映出混凝土襯砌渠道凍脹在應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)中變化的情況，該模型可應(yīng)用到各種實(shí)際工程中，方法簡(jiǎn)捷、操作簡(jiǎn)單，在渠道的抗凍脹工程設(shè)計(jì)里也可以廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] 李遠(yuǎn)華.節(jié)水灌溉理論與技術(shù)[M].武漢：武漢水利電力大學(xué)出版社，1999.1.

[2] 張玉欣，吳滌非.水資源合理利用與節(jié)水灌溉[J].節(jié)水灌溉，2002，（4）：24-26.

[3] 秦為耀.節(jié)水灌溉技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2000.1.