苯板保温在混凝土衬砌渠道中的应用及数值模拟.pdf

第 4 4卷 第 5期 2 0 1 3年 3 月 人 民 长 江 Ya n g t z e Ri v e r Vo 1 ． 4 4， No． 5 M a r ．， 2 01 3 文章编号 ： 1 0 0 1 — 4 1 7 9 ( 2 0 1 3 ) 0 5— 0 0 5 7— 0 d 苯板保温在混凝土衬砌渠道中的应用及数值模拟 郭 睛 ， 娄 宗 科 ， 郭 启 胜2 ( 1 ． 西北农林科技 大学 水 利与建 筑工程 学院， 陕西 杨凌 7 1 2 1 0 0 ； 2 ． 内蒙古 自治 区水利水 电勘测设 计院， 内 蒙古 呼和 浩特 0 1 0 0 2 0 ) 摘要 ： 目前聚苯 乙烯板 已作 为渠道衬砌保 温材料( 苯板 ) 被 广泛使 用， 但在施 工时还 不能科 学地确 定渠道不 同 位置的苯板铺设厚度。针对在 内蒙古 河套地 区进 行 的渠道衬砌 防冻胀 现场试 验 ， 采 用有 限元 分析软 件 A N ． S Y S分析 了不 同厚度 的保温板对 渠系建筑物 的温度场 、 位移场的影响 ， 得到 渠道不 同位置处 的冻胀量 ， 并将其 与 实测数据 比较 ， 结果较 为一致。通过 综合分析 ， 对重粉质壤 土渠道给 出了渠道 不同部位合理 的保 温板铺设 厚度 ， 从 而为渠道保 温板施 工提供 了技 术支持 。 关键词 ： 聚苯 乙烯保 温板 ； 温度场 ； 位 移场 ； 数值模拟 ；冻胀 中图法分类号 ： T V 4 1 文献标志码 ： A 我 国北方 的几 大灌 区地 处 季 节 冻 土 区 ， 大量 的渠 系水 工建 筑物 由 于基 土 冻 胀 问 题 而产 生 破 坏 。 目前 ， 就我 国 四大灌 区之 一 的 内蒙 古 河 套 地 区 而言 ， 一 些 地 段虽铺设 了聚苯乙烯保温板 ， 但还不能 明确地确定不 同位置的铺设厚度 ， 只是盲 目地使用 ， 造成极 大 的浪 费。这主要是因为没有彻底搞清渠道冻融破坏的内在 原 因 ， 不 能有效 地采 取 防冻胀 措施 ， 只是 被 动地进行 防 护 。 对于渠道冻胀问题 的理论求解 ， 有限差分法 和 有 限元法 是 普 遍 采 用 的 两 种 数 值 计 算 方 法 。在 渠 道冻 胀研 究领 域 ， 有 限差 分法 局 限于规则 的网格划 分 ， 对单 元本 身特 性不 予考 虑 ， 因 而使 其 应 用 受 到相 应 限 制 ， 目前主要用于一维问题的求解 ， 对边界条件复杂的 渠道冻胀问题仍然难 以计算。有限元法克服了有限差 分法的缺点， 能够灵活地考虑各种边界条件 ， 在计算渠 道冻 胀 问题 方 面显 示 出极 大 的优 越性 ， 因此本 文 在 渠 道冻 胀 问题 的计算 中采用 了这 一方 法 。 1 工程 应用实例 及分析 1 ． 1 工 程概 况 内蒙古河套灌区西济支渠位于黄河河套沉积平原 区， 地势南高北低 ， 地面高程在 1 0 3 7 ． 4～1 0 3 4 ． 4 m之 间， 地面坡降为 1 ／ 3 0 0 0 ～1 ／ 4 0 0 0， 土地较平整 。西 济支渠梯形渠道的混凝土衬砌断面及其冻土实测数据 分 别见 图 1和表 1 。 图 1 西济支 渠衬砌 渠道试 验段 断面 ( 尺寸单位 ： m m) 收稿 日期 ： 2 0 1 2— 0 8—1 7 基金项 目： “ 十二五” 农村领域 国家科技计划项 目( 2 0 1 1 B A D 2 5 B 0 4 ) ； “ 十二五” 科技 支撑 计划课题 ( 2 0 1 2 B A D 0 8 B 0 1 ) 作者简介 ： 郭 婧 ， 女 ， 硕 士研 究生， 主要从事水工结构数值模拟研 究。E— ma i l ： j i n g g u o l 0 t 5 @1 2 6 ． e o m 通讯作者 ： 娄 宗科 ， 男， 教授 ， 硕士生导师 ， 主要从 事水工结构设计理论 、 水工材料耐久性与建筑物健康诊 断及修复技 术、 渠道 防 渗抗 冻胀技 术等 方面的研 究。E—m a i l ： s l x l z k @1 6 3 ． c o m 58 1 ． 2有 限元分析 1 ． 2 ． 1 参数选取 通 过对西 济支 渠 渠道 土 质 、 气 候 以及 梯 形 渠 道冻 胀机理的综合分析 ， 渠床土质类型为重粉质壤土 ， 由参 考 文献 [ 4 ] 确定 以下 参数 。 表 1 原 型渠道冻胀情况 温 度场计 算仅 与导 热 系数 A有 关 ， 取 基 土冻 结 时 导 热 系数 A ：1 ． 8 3 7 3 W／ ( m ℃ ) 。进行 热力耦 合计 算时 ， 视冻胀系数为负线膨胀系数 ， 鉴于渠床土为重粉 质 壤 土 ， 冻结 温 度接 近 0 ℃ ， 故 采 用 0 ℃ 为基 准 。 由于 实测参 数有 限 ， 不考虑 纵横 向的差 异 ， 取 冻土统 一冻 胀 系数 为 r l ／ T， 其 中 为 冻胀 率 ， 为 温 度 ， 参 考 表 1 ， 阴 、 阳坡及 渠底 分别取 9 ． 1 ％ 、 1 1 ． 7 ％和 2 1 ． 8 ％ 。基 土 弹性模 量及 泊松 比按参 考 文献 [ 5 ] 选 取 。其他 材 料 力 学参 数如表 2所示 。 表 2材料力学参数 根据国标 G B 1 0 8 0 1 — 8 9和 S L 1 8—2 0 0 6 (( 渠道防渗 工程技术规范》 中对衬砌渠道使 用保 温板 的要求 ， 试 验采用的聚苯乙烯保温板的密度为 2 0 k g ／ m ， 聚苯 乙 烯保 温板 的力学 性能见 表 3 。 表 3 聚苯 乙烯保温板物理力学性能 1 ． 2 ． 2 温度场边界条件 根据 原型 渠道 的基 本 情 况 ， 本文 选 取 有 限元 模 型 以冻 深 为边界 ： 即 阴坡 边 界 法 向深 1 0 0 c m， 渠 顶 取 距 衬砌 板 2 0 0 c m 宽 ； 渠底 距 衬砌 板 由 1 0 0 c m 过渡 到 8 0 c m； 阳坡 边 界法 向深 8 0 c m， 渠 顶 取 距 衬 砌 板 2 0 0 c m 宽 。温 度场计 算 中 ， 上 边 界温 度 取灌 区最 冷 月 平 均气 温 一8 ℃ [ 3 j ， 其 中 阴坡 取 一8 ℃ ， 渠 底 取 一7 ℃ ； 阳坡 取 一 6 ℃ ， 下边界 取 2 ℃ ， 左 右边 界近似 为绝 热 。 1 ． 2 ． 3 应 力场边界条件 约束条件为冻土两侧竖直段受水平 向约束 ( = 0 ) ， 下边界除两侧水平段受竖直 Y向约束 (U =0 ) 外， 其余均受 和 Y双向约束 (U = 0 ， U =0 ) ； 模型 上边界 自由冻胀不 受约束 。 1 ． 2 ． 4 模 型建立及分析 首先根据实例的基本情况建立实体模 型， 再 由热 传导方程选定 p l a n e 5 5单元 ， 定义材料属性 即把实例 的参数 输入 ， 之后进 行 网格划分 ， 然后 把两个 边界 条件 加载进 去求解 。 根据 实际测 量 ， 渠道 顶 部水 平 部 分 在 1 ． 5 m 的 范 围内都 会对 渠道 基土 温度 场 产 生 影 响 ， 因此 在 建立 有 保温措 施 的模 型 时 都 在 渠 道 水 平 部 分 延 伸 1 5 0 C I n 。 不 同保 温措 施苯 板厚度见 表 4 。 表 4不 同保 温 措 施 的 c n l 模型— — 酉 _ 渠底 2 6 4 5 3 8 5 4 4 6 4 4 5 8 4 4 6 8 4 3 7 1 0 4 3 8 8 3 4 渠 底 2 计算机模拟 结果与分析 2 ． 1温 度 场 分 析 由图 2和 图 3对 比分 析 可知 ， 有 保 温层 与无 保 温 层 两种情 况 的渠 基 土温度场 分布截 然不 同 。无 保温 层 的温度分 布较均 匀 ， 加入 聚 苯 乙烯 保 温 板作 为 保 温 措 施后 ， 温度场分布发生了显著变化， 零温线 明显上抬 。 说明加入的保温材料阻断了大量冷空气 的进入， 提高 了地 基温 度场 ， 使 基 土冻 结 时 间推 迟 或 基 土不 发 生 冻 结 ， 对衬砌 的防冻胀产 生 了明显作 用 。 2 ． 2 位 移 分 析 从 图 4可 以看 出 ， 渠 道 衬 砌 变位 值 较 大 的部 位 出 现 在渠道 底部 和阴 坡 ， 阴坡 、 渠底 、 阳坡 的 最 大冻 胀 量 分别 为 1 0 3 ． 2 4 ， 1 4 1 ． 7 0 ， 8 9 ． 0 6 m m， 这 与表 l中实测 值 基 本吻合 ， 最 大误 差 为 1 6 ％ ， 说 明应 用 A N S Y S软件 能 较 为准确 地模 拟梯 形渠 道 的 冻胀 ， 计 算 结 果基 本 满 足 精 度要求 。 图 5为 不 同苯 板厚 度 下 ， 渠道 阴坡 、 渠底 、 阳坡 的 冻胀量分布。从图 5可 以看出 ， 在水平方 向上铺设保 温板亦可以影响渠道的保温效果 。随着渠道上保温板 厚度 的增加 ， 冻胀量 不 断 减小 ， 但 是 幅度 越来 越 小 ， 因 此选择 最经 济合理 的苯板 厚度对 于 降低渠道 衬砌施 工 成本将起 到关 键作 用 。根 据《 水工 建 筑 物抗 冰冻 设 计规范》 ( S L 2 1 1 — 2 0 0 6 ) 规定， 混凝土梯形断面衬砌渠 道 的允许 法 向位移 值为 5～1 0 mm， 因此最终 决定 在 阴 人 民 长 江 2 0l 3年 App l i c a t i o n a nd n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f po l y s t ~ r e n e i n s u l a t i o n bo a r d i n c o nc r e t e l i n i n g c a na l G U O J i n g ‘ ，L O U Z o n g k e ，G U O Q i s h e n g ( 1 ． C o l l e g e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d A r c h i t e c t u r a l E n g i n e e r i n g，No r t h we s t A&F Un i v e r s i t y，Y a n g l i n g 7 1 2 1 0 0，C h i n a； 2 ．I n n e r Mo n g o l i a Wa t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r o p o w e r S u r v e y a n d De s i g n I n s t i t u t e ，Ho h h o t 0 1 0 0 2 0，C h i n a) Abs t r a c t： At p r e s e nt ，p o l y s t y r e n e b o a r d h a s be e n wi d e l y us e d a s i n s u l a t i o n ma t e r i a l i n c a n a l l i ni n g c o ns t r uc t i o n，y e t i t i s h a r d t o s c i e n t i f i — c a l l y d e fin e t he t hi c k ne s s o f po l y s t y r e ne b oa r d i n d i f f e r e n t p o s i t i o ns o f a c a n a 1 ．Ba s e d o n t h e s i t e t e s t r e s e a r c h o f a n t i—f r o s t h e a v i n g i n He t a o I r r i g a t i o n Ar e a o f I n n e r Mo ng o l i a，we ut i l i z e t he ANS YS t o a n a l y z e t h e i n flue n c e o f v a r i o us i n s u l a t i o n b o a r d t hi c k n e s s e s o n e a n a l g t e mp e r a t u r e a n d d i s p l a c e me n t fie l d，a n d o b t a i n f r o s t he a v i n g v a l ue s a t di f f e r e n t p o s i t i o ns o f t he c a n a 1 ．Th e c a l c ul a t e d v a l u e i s c o n s i s t e nt wi t h me a s u r e d d a t a．By c o mp r e he n s i v e s t ud y，t h e c a n a l i s h e a v y s i l t l o a m． We s u g g e s t t h e b o a r d t h i c kn e s s a t d i f f e r e nt p o s i t i o n s o f a c a na l ，wh i c h p r o v i de t e c h ni c a l s u p po r t f o r c o ns t r u c t i o n o f i ns u l a t i o n b o a r d o f l i n i ng c a n a 1 ． Ke y wor ds：po l y s t y r e ne i n s u l a t i o n b o a r d；t e mp e r a t ur e fie l d；d i s p l a c e me nt fie l d；nu me r i c a l s i mu l a t i o n；f r o s t a n d h e a v i n g ( 上接 第 5 1页 ) Si m u l a t i v e r e s e a r c h o n c o n c r e t e i ns ul a t i o n o f To ng z i l i n Hy d r o po we r S t a t i o n d u r i n g c o ns t r u c t i o n pe r i o d whe n e n c o un t e r i n g c o l d wa v e ZHU Gu i we i ， LI Ya n g b o ， HUANG Da h a i ( 1 ． C o l l e g e of H y d r a u l i c a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ， C h i n a T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y ， Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2 ， C h i n a ； 2 ． D e p a r t m e n t of C i v i l E n g i n e e r i n g ， B e ij i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ， B e q i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：La r g e t e mp e r a t u r e di f f e r e nc e i n c o n c r e t e ma s s wo u l d a pp e a r s wh e n e n c o un t e r i ng a c o l d wa v e a n d t h e t e mp e r a t ur e g r a di e n t i s l i k e l y t o b e l a r g e du e t o t h e s h o rt d ur a t i o n o f t h e c o l d wa ve ．Th e r e f o r e，t he t e mp e r a t ur e s t r e s s t e n d s t o b e l a r g e a n d i t c o ul d i n du c e s ur f a c e c r a c ks o f c o nc r e t e i f n o he a t i ns u l a t i o n me a s ur e s a r e ad o p t e d． Ta k i ng t h e r i v e r be d d a m s e c t i o n o f To n g z i l i n Hy d r o p o we r St a t i o n a s a n e x a mpl e，we s i mul a t e t he t e mp e r a t ur e a nd s t r e s s c o n d i t i o n o f c o n c r e t e u n de r v a r i o u s wo r k i ng c o n di t i o n s wh e n e n c o un t e r i ng a c o l d wa v e b y F EM me t h o d，pr o v i d i n g r e f e r e nc e for s e l e c t i o n o f s ur f a c e he a t i n s ul a t i o n ma t e r i a l s a f t e r r emo v a l o f t h e c o nc r e t e f or mwo r k ．Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t a d o pt i ng po l y e t h y l e ne me mb r a n e wi t h a t h i c k n e s s o f 2c m c a n e f f e c t i v e l y pr o t e c t t he c o n cr e t e b l o c ks ． Ke y wor ds： c o l d wa v e；t h e r ma l s t r e s s ；s u r f a c e p r o t e c t i o n；ma s s c o n c r e t e ⋯】⋯】⋯ ( 上接第 5 6页 ) ， ⋯，⋯，⋯， ⋯， ⋯】⋯l⋯，⋯⋯⋯ App l i c a t i o n o f f us i o n o f m u l t i — — po l a r i z a t i o n S AR i ma g e s i n i nv e s t i g a t i o n o f c o a s t a l t i d a l fla t s YANG Z hi x i a n g ( J i a n g x i P r o v i n c i a l Wa t e r C o n s e rva n c y Pl a n n i n g a n d De s i g n i n g I n s t i t u t e ， Na n c h a n g 3 3 0 0 2 9， C h i n a) Abs t r a c t： Gr a s p i n g t he p r e s e nt s i t ua t i o n o f c o a s t a l t i da l fla t s by r e mo t e s e n s i n g i n f o r ma t i on t e c h n o l o g y i s i mpo r t a n t for J i a n g s u c o a s t a l d e v e l o pme n t p o l i c y ．I t i s mo r e e f f e c t i v e t o o bt a i n t h e t i da l fla t i n f o r ma t i o n by f u s i n g mu hi—p o l a r i z a t i o n S y nt h e t i c Ape rtu r e Ra d a r ( S AR)i ma g e s wh i c h p r o v i d e d i f f e r e n t p o l a r i z a t i o n i n f o r ma t i o n o f t h e t a r g e t s ．I n c o n s i d e r a t i o n w i t h t h e p r o b l e ms o f t h e f u — s i o n o f mu l t i —p o l a r i z a i t o n S AR。a n e w f u s i o n a l g o r i t h m b a s e d o n N o n s u b s a mp l e d C o n t o u r l e t T r a n s f o r m ( N S C T)a n d P C NN i s p r o p o s e d t o f u s e t h e mu l t i—p o l a r i z a t i o n SAR i ma g e s ．Th e s i mpl i fie d P CNN mo d e l i s u s e d t o ma ke i n t e l l i g e nt d e c i s i o n s for t h e c o — e f f i c i e n t s o f l o w a n d h i g h f r e q ue n c y i n s u b—b a n d r e s p e c t i v e l y ．Fi na l l y，t he me t ho d i s e x a mi n e d b y u s i n g ALOS d ua l—p o l a r i z a — t i o n S AR i ma g e s o f t i d a l fl a t s i n Ya n c h e n g C i t y o f J i a n g s u P r o v i n c e a n d c o mp a r e d wi t h s o me r e g u l a r f u s i o n a l g o r i t h ms b a s e d o n mul t i—s c a l e d e c o mp o s i t i o n ． The r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e pr o po s e d me t h o d c a n r e s e r v e t he o r i g i n a l po l a r i z a t i o n i n f o r m a t i o n a t t h e l a r g e s t d e g r e e a n d i t s f us i o n e f f e c t s a r e b e t t e r ，whi c h c a n b e mo r e h e l p f u l for e x t r a c t i n g t he i n f o r ma t i o n o f t h e c o a s t a l t i d a l fla t s i n J i a n g s u P r o v i n c e ． Ke y wo r d s ： No n s u b s a mp l e d C o n t o u r l e t T r a n s f o r m (N S C T)；p u l s e—c o u p l e d n e u r a l n e t wo r k(P CNN) ，mu l t i—p o l a r i z a t i o n SAR；i ma g e f us i o n；c o a s t a l t i da l fla t s