鞏永杰，王 斌,2,3

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程 研究中心， 寧夏 銀川 750021；3.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021)

1 引言

根據(jù)第二次全國(guó)土地調(diào)查成果，我國(guó)絕大部分耕地處于季節(jié)性凍土區(qū)[1]，當(dāng)季節(jié)性凍土發(fā)生凍融循環(huán)時(shí)，土壤中的水分會(huì)進(jìn)行重分布，土壤顆粒骨架發(fā)生變化，同時(shí)土壤中的鹽分會(huì)發(fā)生遷移[2]，修筑在上面的人工建筑物在土壤膨脹和鹽凍的雙重作用下發(fā)生破壞。農(nóng)業(yè)是我國(guó)用水第一大戶，灌溉用水經(jīng)過襯砌渠道時(shí)造成滲漏，約50%灌溉水在輸送途中損耗，農(nóng)業(yè)用水綜合利用效率只有0.55，遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家的0.75～0.85[3]，提高農(nóng)業(yè)用水效率，未來(lái)農(nóng)業(yè)用水“零增長(zhǎng)”“負(fù)增長(zhǎng)”成為我國(guó)水安全戰(zhàn)略，因此提高農(nóng)業(yè)用水利用效率，發(fā)展節(jié)水灌溉成為亟待解決的問題。我國(guó)田間斗渠和農(nóng)渠襯砌多為預(yù)制兩拼式U形混凝土襯砌渠道，因襯砌渠道冬季發(fā)生凍脹后，凍脹力和凍脹變形較為均勻得到大力推廣[4]。但在實(shí)際使用時(shí)，預(yù)制混凝土襯砌渠道有許多不足：①單塊板寬度為0.5 m，施工效率低：混凝土預(yù)制板為素混凝土，U形預(yù)制板在運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)途中容易在直段與弧段相交處發(fā)生斷裂，且現(xiàn)場(chǎng)施工主要靠人力搬運(yùn)，因此單塊混凝土襯砌板長(zhǎng)度為0.5 m；②預(yù)制混凝土襯砌板表面蜂窩麻面較多，糙率比較大，降低了過水能力，內(nèi)部存在初始裂縫，渠道經(jīng)過水時(shí)會(huì)造成滲漏，為將來(lái)凍脹破壞埋下安全隱患；③混凝土為剛性材料，變形能力差，抗凍性不足，因此實(shí)際工程通常增大混凝土襯砌板厚度來(lái)提高渠道抗凍性，導(dǎo)致施工效率降低，工程造價(jià)加大，如使用保溫板進(jìn)行保溫等措施，導(dǎo)致施工成本增大；④渠道凍脹破壞后維護(hù)難度大，修復(fù)費(fèi)用大；⑤國(guó)家環(huán)保要求：水泥生產(chǎn)是高耗能產(chǎn)業(yè)，相應(yīng)環(huán)保要求降低水泥用量。針對(duì)預(yù)制混凝土U形襯砌渠道的缺點(diǎn)，本文提出混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道，襯砌渠道上部分使用混凝土，下部分使用PE，通過PE發(fā)生較大的變形提高襯砌渠道的變形能力[5～12]。

2 試驗(yàn)

為了對(duì)混凝土-PE結(jié)合U行襯砌渠道下部分PE提供力學(xué)參數(shù)，根據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》(GB/T 1447-2005)中相關(guān)規(guī)定，本次實(shí)驗(yàn)制作Ⅰ型試樣，制作3個(gè)試件，進(jìn)行拉伸，如圖1所示。

圖1 PE拉伸試樣

拉伸結(jié)束后，3個(gè)試件的拉伸極限強(qiáng)度分別為24.1 MPa、24.7 MPa、23.7 MPa，中間值均未超過最大 值和最小值15%，因此取3個(gè)試件的平均強(qiáng)度24.17 MPa為極限抗拉強(qiáng)度。PE的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 PE拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖2可知，隨著荷載增大，PE應(yīng)力-應(yīng)變曲線首先出現(xiàn)彈性特征，隨著荷載進(jìn)一步增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)塑性特征，切線彈性模量逐漸變小。

3 有限元模型

3.1 渠道模型

為了探究混凝土和PE相對(duì)使用量對(duì)襯砌渠道抗凍脹性能影響，以混凝土和PE之間的相對(duì)使用量為變化，引入PE相對(duì)使用量系數(shù)，其定義如圖3和公式(1)所示：

(1)

式(1)中：α為PE相對(duì)使用量系數(shù)；h混凝土為襯砌渠道中混凝土的使用量；hPE為襯砌渠道中PE的使用量。

圖3 混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道示意

渠道有限元模型參數(shù)設(shè)置如下所示：

(1)襯砌渠道上部分混凝土強(qiáng)度為C20，厚度為6 cm。

(2)根據(jù)《給水用聚乙烯(PE)管材》(GB/T 13663-2000)，渠道下部分PE的厚度為6 cm。

為了探究PE相對(duì)使用量變化對(duì)襯砌渠道抗凍脹能力的影響，取PE相對(duì)使用量α=0，0.25，0.5，0.75，1.0，1.25，1.50，1.75，2.0等8個(gè)數(shù)。

3.2 凍脹荷載施加

本文根據(jù)學(xué)者對(duì)凍脹力分布和凍脹形式研究，直接對(duì)襯砌渠道施加凍脹荷載[13，20]。

3.2.1 法向凍脹力

法向凍脹力沿著襯砌渠道外側(cè)的分布，在陰陽(yáng)坡兩側(cè)顯著不同，具有以下規(guī)律：渠頂法向凍脹力為0，在直坡段，法向凍脹力線性增大，在弧段均勻分布；陰坡直段=1.5陽(yáng)坡直段，陽(yáng)坡弧段=1.5陽(yáng)坡直段，陰坡弧段=1.5陽(yáng)坡弧段，分布示意圖如圖4所示。

圖4 法向凍脹力分布示意

3.2.2 切向凍結(jié)力

切向凍結(jié)力在襯砌板直坡板部位呈現(xiàn)直線分布特征，渠頂為0，渠道直坡板與弧段相交處切向凍結(jié)力達(dá)到最大值；在渠底弧形部位沿著襯砌板從上到下切向力逐漸減小，渠底為0，切向凍結(jié)力分布如圖5所示。

圖5 切向凍結(jié)力分布示意

3.2.3 混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道合力

對(duì)襯砌渠道施加凍脹力和切向凍結(jié)力后，混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道承受的凍脹荷載合力分布如圖6所示。

圖6 混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道合力

4 抗凍脹能力分析

4.1 混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道應(yīng)變變化

選擇標(biāo)記點(diǎn)，以便分析PE相對(duì)使用量不同時(shí)的混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道在凍脹荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。

圖7為凍脹荷載作用下混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道渠頂應(yīng)變變化圖。圖7可知，當(dāng)PE相對(duì)使用量α=0.25、0.50時(shí)，標(biāo)記點(diǎn)最大應(yīng)變均小于預(yù)制U形混凝土襯砌渠道，當(dāng)PE相對(duì)使用量α≥0.75時(shí)，隨著PE相對(duì)使用量增大，標(biāo)記點(diǎn)最大應(yīng)變大于預(yù)制U形混凝土襯砌渠道且隨著PE相對(duì)使用量增大，標(biāo)記點(diǎn)最大應(yīng)變逐漸增大。隨著PE相對(duì)使用量α增大，渠道同一點(diǎn)的最大應(yīng)變逐漸增大，表明混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道中使用PE能夠改善襯砌渠道的力學(xué)響應(yīng)，增大混凝土的應(yīng)變，發(fā)揮材料的特性，使得混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道能夠很好地抵抗襯砌渠道凍脹荷載，提高渠道的抗凍脹能力。

圖7 襯砌渠道標(biāo)記點(diǎn)最大應(yīng)變

4.2 混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道最大位移

混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道渠頂最大位移隨著PE相對(duì)使用量增大的變化趨勢(shì)如圖8所示。從圖8可知：當(dāng)α=0時(shí)，預(yù)制U形混凝土襯砌渠道渠頂最大位移為3.19 mm，當(dāng)PE相對(duì)使用量α=0.25、0.50時(shí)，混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道渠頂最大位移均小于預(yù)制U形混凝土襯砌渠道；當(dāng)PE相對(duì)使用量α≥0.75時(shí)，混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道最大位移大于預(yù)制U形混凝土襯砌渠道。當(dāng)PE相對(duì)使用量α≤1.25時(shí)，襯砌渠道渠頂最大位移增大趨勢(shì)較為平緩，當(dāng)α=1.25時(shí)，渠頂最大位移為預(yù)制U形混凝土襯砌渠道的2.2倍；當(dāng)α≥1.50時(shí)，襯砌渠道渠頂最大位移增大趨勢(shì)加快，當(dāng)α=1.5、1.75、2.0時(shí)，混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道渠頂最大位移為預(yù)制U形混凝土襯砌渠道渠頂最大位移的4.1倍、5.0倍、6.3倍。因此PE相對(duì)使用量越大，則襯砌渠道渠頂位移的增加量越大。

圖8 結(jié)合U形襯砌渠道渠頂最大位移

4.3 混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道承載力變化

混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道開裂荷載和破壞荷載隨著PE相對(duì)使用量增大的變化趨勢(shì)如圖9所示;混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道開裂荷載、破壞荷載與PE相對(duì)使用量的擬合關(guān)系如表1所示。

圖9 開裂荷載、破壞荷載與變化關(guān)系

表1 開裂荷載、破壞荷載與PE相對(duì)使用量α擬合

預(yù)制U形混凝土襯砌渠道的開裂荷載和破壞荷載分別為0.756 MPa、1.30 MPa。當(dāng)PE相對(duì)使用量時(shí)，混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道開裂荷載和破壞荷載均小于預(yù)制U形混凝土襯砌渠道；當(dāng)PE相對(duì)使用量α≤1.25時(shí)，混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道開裂荷載和破壞荷載與預(yù)制U形混凝土襯砌渠道相等；當(dāng)PE相使用量時(shí)，混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道開裂荷載和破壞荷載大于預(yù)制U形混凝土襯砌渠道。因此在襯砌渠道中PE相對(duì)使用量α不應(yīng)小于1.5。當(dāng)PE相對(duì)使用量α=1.5、1.75、2.0時(shí)，混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道破壞荷載分別為預(yù)制U形混凝土襯砌渠道的1.01倍、1.1倍、1.2倍，當(dāng)PE相對(duì)使用量時(shí)，混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道最大位移相比較預(yù)制U形混凝土襯砌渠道較大，因此襯砌渠道通過發(fā)生較大的變形，防止襯砌渠道發(fā)生破壞，從而提高混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道的承載能力。

5 結(jié)論

本文使用有限元方法，通過對(duì)混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1)隨著混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道中PE相對(duì)使用量時(shí)，襯砌渠道混凝土標(biāo)記點(diǎn)最大應(yīng)變、襯砌渠道渠頂最大位移均小于預(yù)制U形混凝土襯砌渠道。

(2)當(dāng)PE相對(duì)使用量時(shí)，隨著增大，混凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道標(biāo)記點(diǎn)最大應(yīng)變、渠頂最大位移、開裂荷載和破壞荷載逐漸增大；隨著PE相對(duì)使用量增大，凝土-PE結(jié)合U形襯砌渠道最大位移變大，混凝土應(yīng)變逐漸增大，材料的特性發(fā)揮得以發(fā)揮，進(jìn)而提高了混凝土襯砌渠道的開裂荷載和破壞荷載，這符合科學(xué)家提出的“以柔克剛”的理念。