渠道設(shè)置防凍層的重要性研究,農(nóng)田水利論文

渠道設(shè)置防凍層的重要性研究,農(nóng)田水利論文水是生命的源泉更是每個(gè)國家都必不可缺的自然資源，人類按照著水資源走到了今天，有了今天科技繁榮，人民安身立命的盛世，可是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和水資源的日益短缺，如何去利用好水資源開發(fā)好水資源一直是困擾著一個(gè)國家健康發(fā)展的難題。我們國家是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，固然地大物博，但是水資源利用率較低，加之正處在社會(huì)發(fā)展時(shí)期，大量的工廠排污設(shè)施對水資源的污染更是逐日增長，這樣怎樣開發(fā)好水資源利用好水資源已經(jīng)變?yōu)槿缃袷澜缢P(guān)注的重要主題［１］。改革開放以來，我們國家大范圍開場修建灌區(qū)，以到達(dá)水資源的合理利用，但是我們國家灌區(qū)所修建的渠道大都是砼襯砌，又處于多年凍土區(qū)和季節(jié)性凍土區(qū)，由于其在渠基凍土層的作用下，而致使大部分渠道砼襯砌體發(fā)生毀壞，輕者砼襯砌板外表出現(xiàn)裂縫或局部鼓起，重者大范圍襯砌板坍塌滑坡造成渠道不能正常的輸水，每年都要花大量的人力、物力、財(cái)力去維修。對于灌區(qū)而言，怎樣有效解決混凝土渠道襯砌板的凍脹毀壞是確保灌區(qū)健康持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。為解決這類問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作，同時(shí)工程實(shí)踐者也在實(shí)際工程中不斷進(jìn)行探索、實(shí)踐總結(jié)、改良創(chuàng)新工作。當(dāng)前最常用的一種方式方法就是對渠道設(shè)置防凍層。渠道護(hù)坡設(shè)置防凍層常用的方式方法：①置換法。即在護(hù)坡易發(fā)生凍脹的范圍內(nèi)用非凍脹性土置換凍脹性土；②保溫法。即在護(hù)坡下設(shè)置苯板等保溫板材，以削減渠基土的凍脹作用。第一種方式方法由于對土體性質(zhì)要求的限制性有時(shí)很難使用，而苯板的導(dǎo)熱系數(shù)小，每１ｃｍ厚的保溫板就能夠減少１０ｃｍ～１５ｃｍ的凍深，在護(hù)坡下設(shè)置５ｃｍ～１０ｃｍ的苯板就能夠知足抗凍脹的要求，所以當(dāng)前大多數(shù)渠道都采用全斷面鋪設(shè)苯板來到達(dá)渠基土保溫的效果。本文利用有限元軟件ＡＤＩＮＡ，以甘肅靖會(huì)灌區(qū)干渠弧底梯形渠道為研究對象，對特定的時(shí)間段內(nèi)的不鋪設(shè)苯板，鋪設(shè)苯板兩種情形時(shí)溫度場進(jìn)行了仿真計(jì)算，模擬出了渠道在兩種不同狀態(tài)下其溫度的變化規(guī)律，進(jìn)而充分講明渠道設(shè)置防凍層的重要性。１建立渠道熱力學(xué)模型１．１基本假設(shè)土壤產(chǎn)生凍結(jié)時(shí)，土體、水和冰三者之間互相產(chǎn)生作用的經(jīng)過是微觀且異常復(fù)雜的，當(dāng)下還不能以理論數(shù)值的形式準(zhǔn)確模擬此經(jīng)過。為了歸納出影響土壤凍結(jié)經(jīng)過及凍脹變形的主要特點(diǎn)，對其凍脹經(jīng)過進(jìn)行簡化，故作下面假設(shè)：①發(fā)生凍結(jié)的土體是均勻連續(xù)且各向同性的；②土體的凍脹與溫度、水分、土質(zhì)有著密切的關(guān)聯(lián)，但當(dāng)水分及土壤條件確定時(shí)，土體凍脹主要取決于溫度；③暫且不考慮土體凍結(jié)時(shí)水分遷移對其的影響；④對于同一種土體和所受一樣外力作用時(shí)，其相變溫度為常值，即取相變溫度為０℃。１．２熱傳導(dǎo)方程根據(jù)以上四個(gè)假設(shè)，在進(jìn)行土體凍結(jié)計(jì)算時(shí)暫時(shí)不考慮水分遷移，加之模擬在ＥＰＳ與ＸＰＳ保溫體系下渠道溫度場分布，在西北地易發(fā)生季節(jié)性土體凍脹的區(qū)域，將凍脹經(jīng)過近似看成是一種緩慢的穩(wěn)態(tài)傳熱經(jīng)過。由于在凍結(jié)和融化經(jīng)過中，熱傳導(dǎo)項(xiàng)大于對流項(xiàng)２～３個(gè)數(shù)量級(jí)，所以忽略對流項(xiàng)的影響［３－４］，則可將穩(wěn)態(tài)三維熱傳導(dǎo)方程寫為：２苯板厚度確定方式方法在確定苯板設(shè)計(jì)厚度時(shí)，主要考慮的因素有：所處地設(shè)計(jì)凍深、日照時(shí)長、遮蔭程度、設(shè)計(jì)年季變化頻率及地下水埋深等。一般情況下苯板設(shè)計(jì)厚度能夠通過下面兩種方式確定：〔１〕根據(jù)工程地址條件的設(shè)計(jì)凍深計(jì)算板厚Ｄ。式中：Ｚｄ為設(shè)計(jì)凍深，ｍ；Ｚｄ為標(biāo)準(zhǔn)凍深，ｍ；宜直接采用鄰近工程地點(diǎn)氣溫條件的氣象臺(tái)〔站〕觀測系列不短于１０ａ歷年最大凍深平均值。無此條件時(shí)，可查標(biāo)準(zhǔn)凍深等值線圖確定。ｆ為凍深年際變化的頻率模比系數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)凍值可查標(biāo)準(zhǔn)凍深與頻率模比系數(shù)關(guān)系曲線得。１、２、３級(jí)建筑物按頻率５％、４、５級(jí)建筑物按頻率為２０％查取；ｄ為日照及遮蔭程度影響系數(shù)，主要根據(jù)建筑物的朝向及凍深進(jìn)行修正；ｗ為地下水影響系數(shù)，可根據(jù)地下水埋深和地基土質(zhì)類型進(jìn)行計(jì)算得到?！玻病掣鶕?jù)理論公式計(jì)算板厚Ｄ。式中：Ｒｄ為保溫基礎(chǔ)設(shè)計(jì)熱阻值，ｍ２ｈ℃／ｋＪ；Ｉ０為負(fù)氣溫指數(shù)多年平均值，℃／ｄ；Ｋ為為熱阻修正系數(shù)，當(dāng)Ｉ０＝１００～２８０℃ｄ時(shí)，Ｋ＝０．７１～１．１９，用內(nèi)插法取值；為聚笨乙烯泡沫板導(dǎo)熱系數(shù)，Ｗ／〔ｍ℃〕。以上公式就是計(jì)算苯板厚度的最基本的公式，而第一個(gè)公式苯板厚度取設(shè)計(jì)凍深的１／１０～１／１５是通過熱工計(jì)算和實(shí)際工程驗(yàn)證過的，可知足工程實(shí)用的要求。實(shí)際取值時(shí)應(yīng)綜合工程等級(jí)和地基土凍脹性級(jí)別選取厚度比例，即工程等級(jí)高、土的凍脹性級(jí)別高取大值。反之取小值。３有限元模型的建立及參數(shù)的選取３．１有限元模型本文選取甘肅省某渠道總干梯形渠道為研究對象，其渠道尺寸斷面圖，如此圖１所示。通過在一樣條件下未鋪設(shè)苯板梯形渠道溫度場與鋪設(shè)苯板后的梯形渠道溫度場進(jìn)行比照分析。在一個(gè)灌區(qū)中，由于渠道在平面長度的分布很長這一原因，致使所處不同部位的渠道坡向、走向發(fā)生改變，接受陽光的照射強(qiáng)度也發(fā)生變化，除此之外基礎(chǔ)底板的土體性質(zhì)、水分含量、風(fēng)力大小等自然條件都有所不同，在以上原因的綜合作用下，直接導(dǎo)致土體的凍結(jié)狀態(tài)和凍深產(chǎn)生不同。原型渠道溫度１月份外表溫度分布狀況與其凍脹狀況參見表１。３．２有限元模型的材料參數(shù)有限元模型是在原渠道基礎(chǔ)上的簡化，基礎(chǔ)從底板向下?。玻担埃悖恚笥疫吔缛。罚担悖?，如此圖２所示。邊界條件中，上邊界溫度取原型渠道相應(yīng)部位月平均外表溫度最小值〔表１〕，下邊界溫度取１０℃，左右邊界近似為絕熱。溫度場計(jì)算僅與導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，取基土凍結(jié)時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)ｆ＝１．９８７Ｗ／〔ｍ℃〕。華而不實(shí)材料參數(shù)如下表２所示。３．３未鋪設(shè)苯板與鋪設(shè)苯板渠道溫度場數(shù)值模擬分析本文將靖會(huì)灌區(qū)１月渠道外表的溫度定位加載溫度〔如表１所示〕，在有限元軟件ＡＤＩＮＡ中的ＡＤＩＮＡ－Ｔ模塊下來分別模擬不鋪設(shè)保溫板以及鋪設(shè)保溫板后渠道溫度場數(shù)值模擬分析。３．３．１不鋪設(shè)保溫板時(shí)渠道溫度場分布云圖通過不鋪設(shè)保溫板時(shí)的渠道溫度場分布云圖能夠看出，在不設(shè)置保溫層的渠道中混凝土襯砌體下部處于負(fù)溫，正是由于這些負(fù)溫區(qū)的存在，致使襯砌板凍脹毀壞，所以講鋪設(shè)保溫層對于渠道抗凍脹是非常重要的。３．３．２鋪設(shè)保溫苯板時(shí)渠道溫度場分布云圖由公式〔２〕及表１相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算出苯板厚度近似?。模剑担悖?。經(jīng)過有限元軟件ＡＤＩＮＡ軟件模擬可得渠道在保溫苯板下的溫度場分布云圖。從圖中能夠看出鋪設(shè)保溫層的渠道溫度有了明顯的上升，而且襯砌板下部出現(xiàn)了正溫，這與實(shí)際是相符合的。４數(shù)值模擬結(jié)果分析通過數(shù)值模擬的溫度場分布云圖，將沒有保溫措施的渠道與鋪設(shè)保溫措施渠道兩種狀況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，根據(jù)ＡＤＩＮＡ軟件輸出的數(shù)據(jù)將其進(jìn)行比擬。通過比擬分析可知，采用保溫措施下的渠道，其襯砌板下的溫度明顯比無保溫措施的溫度高，而且在鋪設(shè)了厚度為５ｃｍ后的苯板后，能夠看出在苯板下，大部分都處于正溫，這對于渠道襯砌體是非常有利的。通過相關(guān)數(shù)據(jù)能夠看出：〔１〕在沒有保溫措施去打陰坡頂部，其溫度為－５．１２℃，而采用保溫后同一位置的溫度已經(jīng)到達(dá)了－１℃附近，大量的實(shí)踐表示清楚，由于土體中含有Ｎａ＋等鹽離子會(huì)使土體的結(jié)冰點(diǎn)降低，一般以為土體的結(jié)冰點(diǎn)會(huì)在－１℃附近，這充分講明了在適用了保溫板后的渠道相對于未使用保溫措施的去打會(huì)愈加安全，抗凍脹?！玻病惩ㄟ^相關(guān)數(shù)據(jù)能夠看出，在使用保溫措施的渠道，除陰坡由于日照時(shí)間短，溫度較低保溫板所起溫升存在－１℃范圍內(nèi)的負(fù)溫外，渠道其它部位均到達(dá)可正溫，這講明數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)實(shí)是比擬接近的。５結(jié)束語〔１〕對設(shè)置保溫層渠道與鋪設(shè)保溫層后的渠道溫度場變化進(jìn)行了仿真分析，可知在鋪設(shè)苯板后渠基土溫度有了大幅度的提升，渠道在苯板下部的區(qū)域大都處于正溫，充分的證明鋪設(shè)保溫材料對于渠道抗凍脹是一種非常有效的措施。〔２〕通過有限元軟件輸出節(jié)點(diǎn)溫度場的數(shù)據(jù)能夠看出：在渠道兩側(cè)邊緣及渠道底部中心點(diǎn)處三種狀態(tài)下渠道溫度的變化趨勢，得出了鋪設(shè)苯板后渠道溫度相比不鋪設(shè)苯板材料下溫度的提升幅度不僅大，而且非常有效?！玻场郴诜€(wěn)態(tài)分析運(yùn)用ＡＤＩＮＡ的數(shù)值模擬可知，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際是相符的。固然鋪設(shè)苯板時(shí)在陰坡頂部處還存在一定的負(fù)溫區(qū)，但是負(fù)溫基本在０～１之間并沒有到達(dá)土壤的凍結(jié)溫度，仍能到達(dá)均布鋪設(shè)的保溫效果?！玻础硵?shù)值模擬結(jié)果表示清楚，苯板〔ＥＰＳ〕是一種優(yōu)良的保溫材料，希望在國內(nèi)外節(jié)能跨越式大發(fā)展的條件下，有更多的新工藝、新技術(shù)、新材料來完善渠道的保溫措施，到達(dá)用量省、環(huán)保的效果。以下為參考文獻(xiàn)：［１］徐仁．淺析苯板在渠道護(hù)坡防凍脹中的應(yīng)用［Ｊ］．地下水，２０１０，〔２〕：１４８＋１６１．［２］關(guān)洪濤，康宏泉，宋劍鵬，等．保溫苯板在土壩護(hù)坡防凍脹毀壞中的應(yīng)用［Ｊ］．中國農(nóng)村水利水電，２００５，〔１１〕：７０－７１．［３］劉旭東．混凝土襯砌渠道抗凍脹技術(shù)措施及其機(jī)理研究［Ｄ］．陜西