精准加热防冻防渗渠道工程设计.doc
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1、精准加热防冻防渗渠道工程设计摘要文章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。通过ANSYS有限元软件分析计算,说明采取精准加热保温防渗防冻胀渠道设计,可以有效保护渠道衬砌结构免遭冻胀破坏。关键词寒区渠道;冻胀破坏;精准加热;模拟研究1工程设计1.1设计原理渠道防冻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胀工程措施主要是通过改变渠道结构,达到阻止冬季负温条件下渠道的冻胀破坏的目的1。例如,随着新型保温材料制造技术的成熟和成本的降低,在渠道衬砌结构中加入一定厚度的新型保温板可以大幅降低衬砌结构和基土的冷热交换,从而
2、获得良好的防冻胀效果2。上述渠道衬砌结构在多年的工程应用中显示,大部分渠道衬砌保持比较完好,但是也有个别渠段的混凝土板出现了不同程度的隆起。究其原因,主要是外部水分下渗以及地下水通过基土进入保温板,在冬季负温作用下造成冻胀破坏3。针对这种情况,提出了通过外部热量提供阻止渠道冻胀破坏的精准加热保温防冻胀渠道设计。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上附带的防渗层阻止水分进入保温板4。同时渠道保温板的通过自动化控制系统实现湿度和温度的自动监控和精准加热,当灌溉渠道的基土下降到冻结的临界温度时,保温板内的电热丝开始工作,当温度上升到设定值时,系统自动断电,停止工作
3、。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200cm180cm6cm。在保温板中进行宽度为5mm的人工刻槽,从而形成网状镂空层,使电热丝的热量可以均匀扩散,提高加温效果。刻槽完成后进行电热丝的铺设,铺设时采用蛇形铺设方式,并根据渠道不同位置的加热需求确定铺设密度,而无需在每个槽道中均铺设电热丝。在铺设完电热丝后,将聚苯乙烯加热复合板的上下板利用胶结材料进行封闭,防治电热丝的热量通过缝隙散失。然后在保温板的利用一布一膜土工布制作防渗层,方法是土工布的膜面向里,对保温板进行六面环抱的方法进行封包5。在渠道基础开挖完毕之后,首先对基土进行夯实,然后在接近坡面接近渠底1/
4、3处埋设温度和湿度传感器,然后在基土层上铺设一层厚度为3cm的19水泥细沙垫层,然后在在垫层上进行保温板的铺设。其中加热保温板铺设在接近渠底1/3至1/4处,其余部位铺设普通保温板。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。将已经铺设好的渠道上的各个加温单元与温控箱连接,当渠道某一单元的基土温度降低到-2时,埋设在基土中的温度传感器就会发出信号,并将其传输到温控箱中,温控箱闭合开关,渠道保温板中的电热丝开始加热。当基土温度上升到5以上时,温度传感器将信号传输至温控箱,温控箱断开电源停止加热。在电热丝停止加热后,保温板中的镂空网格中还存有相当数量的
5、残余热量,从而防止基土的温度迅速降低,因此,各个单元仅需要间断式供电,最大限度保证线路的安全。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于辽宁省朝阳市,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110cm7。冻结日期一般开始
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