纳米高性能混凝土+复合土工膜新型衬砌结构抗冻胀模拟_张军鹏.pdf

河南水利与南水北调 2022年第12期试验与研究纳米高性能混凝土+复合土工膜新型衬砌结构抗冻胀模拟张军鹏（巴音郭楞蒙古自治州水利水电勘测设计有限责任公司，新疆 库尔勒 841000）摘要：以位于西北旱地寒地区的某梯形混凝土水工灌溉渠道为背景，在概述渠道预制混凝土板、现浇混凝土等衬砌结构冻胀及裂缝等病害概况的基础上，引入复合土工膜及纳米高性能混凝土等新型防渗衬砌材料应用的可行性；复合土工膜具备较好的防渗性能和适应变形能力，而将纳米微粉掺入混凝土材料后能大幅提升其抗渗、抗冻胀性能。在这样分析的基础上借助有限元软件对所提出的“纳米高性能混凝土+复合土工膜”的新型衬砌结构在工程应用过程中对应的温度场、变形场、应力场等展开仿真模拟。结果表明，纳米高性能混凝土+复合土工膜衬砌的新型衬砌结构能时衬砌板冻胀力分布更加均匀，结构变形充分释放，法向及切向冻胀力取值明显减小，原衬砌结构所对应的冻胀破坏也得以控制。纳米高性能混凝土+复合土工膜衬砌新型衬砌结构型式可在中国西北旱寒地区水工渠道衬砌实践中推广应用。关键词：纳米混凝土；复合土工膜；防渗渠道；抗冻胀；模拟中图分类号：TV93,4文献标识码：A文章编号：1673-8853（2022）12-0076-02Simulation of Frost Heave Resistanceof the Nano High Performance Concrete plusComposite Geomembrane StructureZHANG Junpeng（Bayingolin Mongolian Autonomous Prefecture Water Conservancy and Hydropower Survey and Design CO.LTD.,Korla 841000,China）Abstract：Taking a trapezoidal concrete hydraulic irrigation channel located in the arid and cold region of Northwest China as thebackground,the feasibility of applying new anti-seepage lining materials such as composite geomembrane and nano high performanceconcrete is introduced on the basis of summarizing the frost swelling and cracks of the lining structures such as precast concrete slab andcast-in-place concrete in the channel.The composite geomembrane has good anti-seepage performance and deformation adaptability,whileadding nano powder into concrete can greatly improve its impermeability and frost expansion resistance.On the basis of such analysis,thetemperature field,deformation field and stress field of the proposed new lining structure of Nano High Performance Concrete plus CompositeGeomembrane in the process of engineering application are simulated with the help of finite element software.The results show that the newlining structure of Nano High Performance Concrete plus Composite Geomembrane lining can distribute the frost heave force more uniform,fully release the structural deformation,significantly reduce the value of normal and tangential frost heave forces,and control the frost heavedamage corresponding to the original lining structure.The new lining structure of can be popularized and applied in the practice of hydraulicchannelliningin the aridandcoldregionsofNorthwestChina.Key words：nano concrete;compositegeomembrane;imperviouschannel;frost resistance;simulation1新型防渗衬砌结构性能复合土工膜具备水平向导水、竖直向防渗的作用，与渠基土、过渡层之间的摩擦系数以及抗冻胀性能均比单膜高，有助于渠体稳定。与此同时，纳米SiO2微粒可以在以下方面提升粉煤灰混凝土强度：其一，纳米SiO2能快速与早期所形成的氢氧化钙发生反应并生成细化晶体粒，预防硫酸盐侵蚀，提升水泥浆液和粗细集料界面强度；其二，早期所释放出的水化热可推动水泥等成分的水化过程，提升材料早期强度；其三，纳米SiO2还能加速水泥水化进程及石膏化学反应进程，进而生成微粒状态含水硫酸盐的钙晶体，在晶体持续膨胀的情况下可增强混凝土密实度。此外，这种改性剂还能显著提升粉煤灰混凝土材料的早期抗压强度和抗折强度，增强结构密实性、抗冻耐久性、抗渗透性。2渠道概况某大型灌区年降水量均值为382.70 mm，而多年平均蒸发量达到1 817 mm，年平均气温5.80，极端最低温度-31，最大冻深1.90 m。现浇混凝土衬砌块体积较大，厚度薄、接缝及渗水少，这种衬砌结构对渠床所发生的不均匀冻胀较为敏感，作者简介：张军鹏（1989），男，工程师，从事农业水利工程设计。76河南水利与南水北调 2022年第12期试验与研究且受其影响后容易出现隆起及不规则的横纵向裂缝；东西向渠道阴坡裂缝数量明显比阳坡裂缝数量多，且阴坡裂缝最长达到510 cm，但宽度不大；因裂缝而裂开的板体间存在错位。3防渗渠道抗冻胀模拟3.1有限元模型针对所提出的地处中国西北旱寒地区的某灌溉工程，其渠道底板设计长度为200 cm，阴坡竖向高度和阳坡竖向高度均为250 cm，阴坡和阳坡坡比均为11.50，坡板设计厚度10 cm。为进行分析比较，共提出两种工况：工况1为梯形渠道常规混凝土衬砌，工况2为“纳米高性能混凝土+复合土工膜”衬砌结构，并进行两种工况渠道衬砌结构抗渗稳定性及抗冻胀稳定性模拟。两种工况下渠道衬砌结构厚度均为10 cm，渠道基础尺寸为自底板向下250 cm，具体见图1，在温度场分析时，以原型衬砌结构外部月材料温度最大值为各部位试验边界温度，设计冻深处试验温度取0，下边界试验温度取 10。在进行应力场和位移场的计算过程中，必须将衬砌结构和冻土作为整体结构展开模拟。X向、Y向位移值均按照零处理，Z向上则在渠道底基土下边界处增加约束。结合热传导方程，该旱寒地区灌溉渠道导热系数是影响温度场计算的唯一参数，结合规范，所研究的渠道在土壤转化为冻结状态后对应的导热系数取值变为1.987 0 W/（m）。但是在进行热力耦合分析的过程中，热膨胀系数应按照冻土冻胀系数的负值加以确定，冻胀土和薄膜间及冻胀土与混凝土间的摩擦系数分别取0.60和0.40，其他与渠道衬砌结构设计相关的材料物理力学参数取值具体见表1。3.2模拟结果及分析3.2.1温度场结合模拟过程所得出的温度场实际分布，从渠坡支渠底开始，衬砌材料温度变化速度明显加快，而在距离渠坡比较远的渠堤以下，衬砌材料温度的分布几乎变为平行直线，受渠坡温度变化的影响可以忽略不计。为展开比较分析，在灌溉渠道衬砌板上随机选择9个测点，进行渠道变位模拟结果和实测结果的对比，具体见图2。由图可知，当弹性模量减小、热膨胀系数增大时，纳米混凝土衬砌+复合土工膜防渗结构冻胀变形随之增大，但冻胀应力呈下降趋势。由于地下水埋深较浅，渠坡底部自由冻胀量明显增大，并且冻胀变形主要表现出无规律的分布态势。工况1和工况2的渠道冻胀分布情况模拟结果也均与工程实际较为吻合。渠坡板和渠堤顶部因同处于冻结状态而表现为一致的冻胀变形规律，渠道上下部分别受冻结力和底板的约束。3.2.2衬砌板下冻胀力通过对工况1和工况2衬砌板下法向冻胀力分布以及可能变动趋势情况的比较分析，无论是阴坡坡面还是阳坡坡面，衬砌材料的法向冻胀力均表现出由上往下持续增大的趋势，直到渠道底部后达到稳定状态，且这种增大趋势阳坡比阴坡更为明显。在使用纳米高性能混凝土衬砌材料后，衬砌结构所明显存在的法向冻胀力变形得到充分释放和缓解，受力状态也因此而显著改善，法向冻胀力降幅最大可达39%。通过分析工况1和工况2该西北旱寒地区灌溉渠道衬砌板结构切向冻胀力实际的分布情况不难发现，“纳米高性能混凝土+复合土工膜”防渗衬砌结构应用于工程实际后渠道原来抗渗及抗冻胀变形得到有效释放。阴坡和阳坡最大切向冻胀力降幅分别达到44%和39%。3.2.3衬砌板上拉应力及拉应变一般情况下，渠道衬砌板结构所具有的抗冻胀性能不同时，则衬砌结构表面所对应的拉应力和极限拉应力、结构表面拉应变与极限拉应变等取值的差异会较大，对灌溉渠道衬砌结构的抗冻性、抗渗性能也相应具有不同影响，为此，必须结合实际工况，通过分析衬砌结构真实准确的极限拉应力、极限拉应变理论值与实际值之间可能存在的差距，在预留充分的安全储备的基础上展开设计和施工参数拟定。文中所进行的材料性能模拟试验也表明，纳米高性能混凝土、复合土工膜防渗衬砌结构所对应的拉应力和拉应变安全储备系数分别取3和6，远远高出常规混凝土衬砌材料取值为1的安全储备，可见，本渠道工程所采用的复合防渗衬砌结构具有较为优异的防渗抗冻胀性能。4结论通过有限元软件分析旱寒地区灌溉渠道不同防渗抗冻胀结构的性能，得出混凝土衬砌渠道冻胀变形受力规律，纳米高性能混凝土与复合土工膜衬砌材料的抗变形、抗渗等力学性能远远优于常规混凝土；总之，纳米高性能混凝土和复合土工膜结构衬砌材料的组合能构建起防渗、抗冻胀一体渠道复合防渗结构形式，可在我国西北干旱寒冷地区水工渠道衬砌施工过程中推广使用。参考文献：1 蔡峰.北疆某寒冷灌区U形渠道抗冻胀结构应用分析 J.水利规划与设计，2021（9）：102-106.2 王正中，江浩源，王羿，等.旱寒区输水渠道防渗抗冻胀研究进展与前沿 J.农业工程学报，2020，36（22）：120-132.3 杨轶群，贡力，王鸿，等.干寒区梯形渠道衬砌冻胀破坏分析及数值模拟 J.甘肃水利水电技术，2020，56（2）：21-26.收稿日期：2022-8-20编辑：雍友玉图1梯形渠道有限元模型图图2渠道变位模拟结果和实测结果的对比图表1材料力学参数表材料名称混凝土砂浆冻土纳米混凝土复合土工膜弹性模量2.21042.1104464.810498泊松比0.1760.210.340.230.22导热系数2.311.551.980.761.22线膨胀系数1.210-51.210-55.810-56.210-57.310-5极限抗拉强度1.11/7.129.96极限拉应变0.50/3.8510-30.3377