０引言

水是生命的源泉更是每個國家都必不可缺的自然資源，人類依照著水資源走到了今天，有了今天科技繁榮，人民安居樂業的盛世，可是隨著經濟的發展和水資源的日益短缺，怎樣去利用好水資源開發好水資源一直是困擾著一個國家健康發展的難題。我國是一個農業大國，雖然地大物博，但是水資源利用率較低，加之正處在社會主義發展時期，大量的工廠排污設施對水資源的污染更是逐日增長，這樣如何開發好水資源利用好水資源已經變為現在世界所關注的重要主題［１］。改革開放以來，我國大范圍開始修建灌區，以達到水資源的合理利用，但是我國灌區所修建的渠道大都是砼襯砌，又處于多年凍土區和季節性凍土區，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生破壞，輕者砼襯砌板表面出現裂縫或局部鼓起，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、財力去維修。

對于灌區而言，如何有效解決混凝土渠道襯砌板的凍脹破壞是確保灌區健康持續發展的關鍵。為解決這類問題，國內外學者進行了大量的研究工作，同時工程實踐者也在實際工程中不斷進行摸索、實踐總結、改進創新工作。目前最常用的一種方法就是對渠道設置防凍層。渠道護坡設置防凍層常用的方法：①置換法。即在護坡易發生凍脹的范圍內用非凍脹性土置換凍脹性土；②保溫法。即在護坡下設置苯板等保溫板材，以削減渠基土的凍脹作用。

第一種方法由于對土體性質要求的限制性有時很難使用，而苯板的導熱系數小，每１ｃｍ厚的保溫板就可以減少１０ｃｍ～１５ｃｍ的凍深，在護坡下設置５ｃｍ～１０ｃｍ的苯板就可以滿足抗凍脹的要求，所以目前大多數渠道都采用全斷面鋪設苯板來達到渠基土保溫的效果。

本文利用有限元軟件ＡＤＩＮＡ，以甘肅靖會灌區干渠弧底梯形渠道為研究對象，對特定的時間段內的不鋪設苯板，鋪設苯板兩種情形時溫度場進行了仿真計算，模擬出了渠道在兩種不同狀態下其溫度的變化規律，從而充分說明渠道設置防凍層的重要性。

１建立渠道熱力學模型

１．１基本假設

土壤產生凍結時，土體、水和冰三者之間相互產生作用的過程是微觀且異常復雜的，當下還不能以理論數值的形式準確模擬此過程。為了歸納出影響土壤凍結過程及凍脹變形的主要特點，對其凍脹過程進行簡化，故作以下假設：

①發生凍結的土體是均勻連續且各向同性的；②土體的凍脹與溫度、水分、土質有著密切的關聯，但當水分及土壤條件確定時，土體凍脹主要取決于溫度；③暫且不考慮土體凍結時水分遷移對其的影響；④對于同一種土體和所受相同外力作用時，其相變溫度為常值，即取相變溫度為０℃。

１．２熱傳導方程

依據以上四個假設，在進行土體凍結計算時暫時不考慮水分遷移，加之模擬在ＥＰＳ與ＸＰＳ保溫體系下渠道溫度場分布，在西北地易發生季節性土體凍脹的區域，將凍脹過程近似看成是一種緩慢的穩態傳熱過程。由于在凍結和融化過程中，熱傳導項大于對流項２～３個數量級，所以忽略對流項的影響［３－４］，則可將穩態三維熱傳導方程寫為：

２苯板厚度確定方法

在確定苯板設計厚度時，主要考慮的因素有：所處地設計凍深、日照時長、遮蔭程度、設計年季變化頻率及地下水埋深等。一般情況下苯板設計厚度可以通過以下兩種方式確定：

（１）根據工程地址條件的設計凍深計算板厚Ｄ。

式中：

Ｚｄ為設計凍深，ｍ；Ｚｄ為標準凍深，ｍ；宜直接采用鄰近工程地點氣溫條件的氣象臺（站）觀測系列不短于１０ａ歷年最大凍深平均值。無此條件時，可查標準凍深等值線圖確定。

φｆ為凍深年際變化的頻率模比系數，根據標準凍值可查標準凍深與頻率模比系數關系曲線得。

１、２、３級建筑物按頻率５％、４、５級建筑物按頻率為２０％查??；φｄ為日照及遮蔭程度影響系數，主要根據建筑物的朝向及凍深進行修正；φｗ為地下水影響系數，可根據地下水埋深和地基土質類型進行計算得到。

（２）根據理論公式計算板厚Ｄ。

式中：

Ｒｄ為保溫基礎設計熱阻值，ｍ２ｈ℃／ｋＪ；Ｉ０為負氣溫指數多年平均值，℃／·ｄ；Ｋω為為熱阻修正系數，當Ｉ０＝１００～２８０ ℃·ｄ時，Ｋω＝０．７１～１．１９，用內插法取值；ξ為聚笨乙烯泡沫板導熱系數，Ｗ／（ｍ·℃）。

以上公式就是計算苯板厚度的最基本的公式，而第一個公式苯板厚度取設計凍深的１／１０～１／１５是通過熱工計算和實際工程驗證過的，可滿足工程實用的要求。實際取值時應綜合工程等級和地基土凍脹性級別選取厚度比例，即工程等級高、土的凍脹性級別高取大值。反之取小值。

３有限元模型的建立及參數的選取

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，如圖１所示。

通過在相同條件下未鋪設苯板梯形渠道溫度場與鋪設苯板后的梯形渠道溫度場進行對比分析。在一個灌區中，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、走向發生改變，接受陽光的照射強度也發生變化，此外基礎底板的土體性質、水分含量、風力大小等自然條件都有所不同，在以上原因的綜合作用下，直接導致土體的凍結狀態和凍深產生不同。原型渠道溫度１月份表面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

有限元模型是在原渠道基礎上的簡化，基礎從底板向下?。玻担埃悖?，左右邊界?。罚担悖?，如圖２所示。邊界條件中，上邊界溫度取原型渠道相應部位月平均表面溫度最小值（表１），下邊界溫度?。保啊?，左右邊界近似為絕熱。

溫度場計算僅與導熱系數λ有關，取基土凍結時導熱系數λｆ＝１．９８７ Ｗ／（ｍ·℃）。其中材料參數如下表２所示。

３．３未鋪設苯板與鋪設苯板渠道溫度場數值模擬分析

本文將靖會灌區１月渠道表面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保溫板以及鋪設保溫板后渠道溫度場數值模擬分析。

３．３．１不鋪設保溫板時渠道溫度場分布云圖

通過不鋪設保溫板時的渠道溫度場分布云圖可以看出，在不設置保溫層的渠道中混凝土襯砌體下部處于負溫，正是由于這些負溫區的存在，致使襯砌板凍脹破壞，所以說鋪設保溫層對于渠道抗凍脹是非常重要的。

３．３．２鋪設保溫苯板時渠道溫度場分布云圖由公式（２）及表１相關數據，計算出苯板厚度近似?。?＝５ｃｍ。經過有限元軟件ＡＤＩＮＡ軟件模擬可得渠道在保溫苯板下的溫度場分布云圖。從圖中可以看出鋪設保溫層的渠道溫度有了明顯的上升，而且襯砌板下部出現了正溫，這與實際是相符合的。

４數值模擬結果分析

通過數值模擬的溫度場分布云圖，將沒有保溫措施的渠道與鋪設保溫措施渠道兩種狀況下的數據進行提取，根據ＡＤＩＮＡ軟件輸出的數據將其進行比較。通過比較分析可知，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，而且在鋪設了厚度為５ｃｍ后的苯板后，可以看出在苯板下，大部分都處于正溫，這對于渠道襯砌體是非常有利的。通過相關數據可以看出：

（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達到了－１℃附近，大量的實踐表明，由于土體中含有Ｎａ＋等鹽離子會使土體的結冰點降低，一般認為土體的結冰點會在－１ ℃附近，這充分說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更加安全，抗凍脹。

（２）通過相關數據可以看出，在使用保溫措施的渠道，除陰坡由于日照時間短，溫度較低保溫板所起溫升存在－１℃范圍內的負溫外，渠道其它部位均達到可正溫，這說明數值模擬結果與現實是比較接近的。

５結語

（１）對設置保溫層渠道與鋪設保溫層后的渠道溫度場變化進行了仿真分析，可知在鋪設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域大都處于正溫，充分的證明鋪設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點溫度場的數據可以看出：在渠道兩側邊緣及渠道底部中心點處三種狀態下渠道溫度的變化趨勢，得出了鋪設苯板后渠道溫度相比不鋪設苯板材料下溫度的提升幅度不僅大，而且非常有效。

（３）基于穩態分析運用ＡＤＩＮＡ的數值模擬可知，數值模擬結果與實際是相符的。雖然鋪設苯板時在陰坡頂部處還存在一定的負溫區，但是負溫基本在０°～１°之間并沒有達到土壤的凍結溫度，仍能達到均布鋪設的保溫效果。

（４）數值模擬結果表明，苯板（ＥＰＳ）是一種優良的保溫材料，希望在國內外節能跨越式大發展的條件下，有更多的新工藝、新技術、新材料來完善渠道的保溫措施，達到用量省、環保的效果。

參考文獻：

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［２］關洪濤，康宏泉，宋劍鵬，等．保溫苯板在土壩護坡防凍脹破壞中的應用［Ｊ］．中國農村水利水電，２００５，（１１）：７０－７１．

［３］劉旭東．混凝土襯砌渠道抗凍脹技術措施及其機理研究［Ｄ］．陜西楊凌，西北農林科技大學，２０１０．

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［５］Ｌ２１ｌ一９８，水工建筑物抗冰凍設計規范［Ｓ］．

［６］蘆琴．弧形坡腳梯形渠道砼襯砌凍脹破壞的力學模型研究［Ｊ］．西北農林科技大學學報（自然科學版），２００９，３７（１２）：２１３－２１７．