1工程设计

1.1设计原理

渠道防冻膨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膨胀工程措施主要通过改变渠道结构，达到防止冬季负温条件下渠道冻膨胀破坏的目的[1]。例如，随着新型保温材料制造工艺的成熟和成本的降低，在渠道衬板结构中加入一定厚度的新型保温板可以大大降低衬板结构和基础土的冷热交换，从而达到良好的防冻膨胀效果[2]。上述渠道衬砌结构在多年的工程应用中，大部分渠道衬砌保持良好，但个别渠道混凝土板有一定程度的隆起。究其原因，主要是外部水分渗透，地下水通过基础土进入保温板，在冬季负温作用下冻胀破坏[3]。

针对这种情况，提出了通过外部热量提供阻止渠道冻结膨胀破坏的正确加热保温防冻膨胀渠道的设计。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附带的防渗层阻止水分进入保温板[4]。同时，通道保温板通过自动控制系统实现湿度和温度的自动监视和正确加热，灌溉通道的基础土下降到冻结的临界温度时，保温板内的电热线开始工作，温度上升到设定值时，系统自动停电，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的人工雕刻槽，形成网状的水印层，使电热线的热量均匀扩散，提高加温效果。雕刻槽完成后进行电热丝的铺设，铺设时采用蛇形铺设方式，根据渠道位置的加热需求确定铺设密度，不需要在各渠道铺设电热丝。铺设电热线后，将聚苯乙烯加热复合板的上下板用胶合材料封闭，防止电热线的热量通过间隙散失。然后在保温板上使用一布一膜的土工织物制作防渗层，方法是在土工织物的膜面向内，用六面环绕保温板的方法封住包[5]。渠道基础开挖结束后，首先夯实基础土，在接近坡面的1/3处埋设温度和湿度传感器，在基础土层上铺设厚度为3cm的1:9水泥细砂垫，在垫层上铺设保温板。

其中加热保温板铺设在接近渠底的1/3到1/4处，其馀部分铺设普通保温板。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。将已铺设的通道上的各加热单元与温度调节箱连接，通道某单元的基土温度下降到-2℃时，埋设在基土中的温度传感器发出信号，传输到温度调节箱，温度调节箱关闭开关，通道保温板的电热线开始加热。当基土温上升到5℃以上时，温度传感器将信号传输到温度传感器，温度传感器切断电源停止加热。电热线停止加热后，保温板中的水印网格有相当多的剩馀热量，防止基土温度急速下降，各单元只需间断供电，最大限度地保证线路安全。

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]。冻结日期一般在11月上旬开始，冻结日期一般在次年3月下旬结束，往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。

2.1.3仿真材料的力学参数

在仿真计算过程中，渠道温度场的变化仅与导热系数的变化有关。在本次研究中，假设渠道基础的各个方向连续均匀，基础的导热系数在各个方向取得相同的数值:1.84W/(m℃)。

2.2有限元模型的构建

本次研究以喀左县平房灌区东西走向的横截面为研究对象，阴坡、阳坡和渠底的冻深分别取110cm、65cm和85cm，分别建立4种采取不同措施的模型。其中，模型1为未铺设保温板，作为比较模型2为全断面铺设6cm厚度的普通保温版，模型3为全断面铺设厚度10cm的普通保温板，模型4为铺设上节所述的正确加热防冻防渗路线模型。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。本次选择的二维有限元模型，为了更好地模拟渠道的冻结膨胀变化，选择有阴坡和阳坡的东西向渠道进行冻结膨胀模拟。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℃。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，在渠道基底温度高于5℃时停止施加热量。对模型的各界限施加相同的温度负荷，然后利用模型进行瞬态热分析，获得模型的温度场分布特征。

通过比较四模温度场，发现在没有保温板的情况下，渠道边坡和底部的温度变化非常明显，在渠道铺设保温板时，由于保温板的导热系数低，可以有效阻止渠道基土和外部冷空气的热交换，有效地改变渠道基土的温度变化根据温场模拟计算结果，模式1-模式3的渠道基土温度随时间变化呈现单调降低的特点，随着外部温度达到当地平均最低温度，渠道基土温度首先急速降低，然后逐渐稳定。其中，没有保温板的路线基础土，温度下降最明显，最低温度也最低的保温板对路线基础土温度的维持有明显的作用，但最低温度下降到-5~-6℃以下，容易诱发冻结膨胀破坏的正确加热保温板的路线，基础土温度达到-2.7℃时出现拐点，随着电热线的工作，基础土温度逐渐上升，最终在25min时达到5℃，然后温度下降由此可见，正确加热保温防渗防冻膨胀途径是可行的。

3.2位移场地分析

温度场地分析结束后，将模型的热分析单元转化为结构分析单元，输入材料的结构力学参数，将温度场地分析的结果加入结构分析单元，最后对模型施加边界限制条件，加载解决。根据模拟计算结果，绘制了渠道展开界面的冷冻膨胀量变化曲线。图表显示，采用正确的加热保温防渗防冻膨胀渠道比普通保温板的渠道底部冷冻膨胀量减少46%，消除冷冻膨胀破坏的作用明显。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。