基于数值模拟的双层薄膜防渗衬砌渠道抗冻胀机理探讨

在渠道衬砌板下铺设双层塑料薄膜,使混凝土衬砌板与冻土层之间可滑移、不产生冻结约束,从而达到防治渠道衬砌冻胀破坏的目的,即为双层薄膜防渗衬砌渠道。为了探明其抗冻胀机理及削减冻胀效果,应用ADINA软件对双层薄膜防渗衬砌渠道冻胀进行数值模拟,研究衬砌板应力和变形规律。对比普通渠道,双层薄膜防渗衬砌渠道抗冻胀效果非常显著,自身受力状态得到显著改善,且冻胀变形、冻胀力分布更加均匀;其阴坡、渠底、阳坡切向冻结力极值及均方差降低幅度均大于法向冻胀力降低幅度,揭示了该种渠道通过削弱冻结约束来改善衬砌板冻胀受力及使冻胀量分布均匀的抗冻胀机理。对比梯形断面和弧底梯形,可知双层薄膜防渗衬砌渠道适用断面为弧底梯形,在实际工程中应对弧底板和渠坡板之间的伸缩缝加强管理,或采用整体现浇式结构,以防止渠坡板滑动失稳。这些工作为双层薄膜防渗衬砌渠道的深入研究和推广应用提供了参考。     

刚性衬砌渠道不同纵缝削减冻胀效果的数值模拟

为了探明刚性衬砌渠道设置不同纵缝削减冻胀的机理及量化影响规律,提出削减冻胀的有效工程措施,该文利用有限元软件ADINA对坡脚处、1/3坡高处、宽底板的中心处分别设纵缝和不设纵缝的刚性衬砌渠道冻胀过程进行数值模拟,分析了温度场、变形场及应力场,特别研究了衬砌板的冻胀变形及其法向和切向冻胀力分布规律。通过对比分析表明：合理设置纵缝不仅能降低最大冻胀量61%,最大法向冻胀力45%,最大切向冻胀力32%,而且可使冻胀分布更加均匀,显著削减刚性衬砌渠道的冻胀破坏;削减冻胀的显著性依次是1/3坡高处设纵缝、坡脚处设纵缝、不设纵缝;但针对坡板较短、底板较宽情况在坡脚及底板中心处都设纵缝效果最好,降低最大冻胀量67%,最大法向冻胀力59%,最大切向冻胀力45%;数值模拟结果与工程实践基本一致。研究结果表明渠道冻胀的有限元数值模拟能够为季节冻土区渠道工程设计及力学计算提供参考和科学依据。     

抗冻胀刚性渠道衬砌层断面设计的探讨

为找到渠道刚性衬砌层最优断面,作者从理论上进行了受力分析。结果表明:圆弧底U应为理论最佳断面;并在不同的地下水埋深情况下,给出了计算公式。而且在实践中证明了其正确性。     

基于变水位静水法的梯形渠道渗漏强度函数构建及验证

变水位静水法受规范中观测方法限制,相邻2次观测时间段的计算只能代表平均水深的平均渗漏强度,且将观测期间渠道渗漏的非线性过程假设为线性变化,该假设将导致计算误差,从而使拟合的渗漏强度幂函数存在系统误差。该文以渠道内水位随时间的渗漏过程拟合函数为基础,建立了关于梯形渠道变水位静水法(dropping head ponding test,DHPT)的渗漏强度函数。以石津灌区6种梯形衬砌渠道的变水位静水法试验为依据进行实例分析,分析获得6种梯形渠道的传统幂函数和DHPT渗漏强度函数,并应用各函数进行了渗漏时长计算。通过渗漏时长计算值与实测值对比表明,DHPT函数平均估计误差0.978 h,最大相对误差为1.552%;而传统方法平均估计误差为3.997 h,最大相对误差为5.632%。表明DHPT函数能够更好地描述梯形渠道的渗漏过程,可用于计算点水深下的渗漏强度。通过DHPT函数与传统方法的计算结果对比,表明传统方法计算的渗漏强度普遍偏高,实例中平均误差达到0.248 L/(m~2·h),而DHPT函数直接建立于观测数据之间的函数关系,可避免线性假设的影响,提高计算精度,为分析变水位工况下的渠道水利用系数提供依据。     

基于部分保温法的渠道保温板厚度计算与数值模拟

保温板是北方渠道常用的保温材料,其铺设厚度一般通过经验或全部保温法的热工计算确定,工程造价较高。该文以聚苯乙烯泡沫板为例提出了部分保温法,分析了其合理性和适用条件之后,基于热阻等效原理给出了其计算方法,同时选取新疆车排子西干渠进行部分保温法保温板厚度设计,并与全保温法计算量进行比较。结果表明：部分保温法比全保温法降低了19%的工程造价。最后利用ANSYS有限元程序对原渠道和部分保温渠道进行热力耦合数值模拟。数值分析表明：部分保温渠道的最大冻胀量为1.35 cm小于设计允许值2 cm,满足抗冻胀要求,部分保温法是可行的;其冻胀量、冻胀力不但分布更加均匀,且被大幅削减,其中阴坡被削减达80%以上。     

夹砂层状土条件下渠道渗漏的室内试验和数值模拟

为了解渠床含有夹砂层情况下的渠道渗漏规律,开展了均质土（砂壤土）和层状土（含夹砂层）条件下的室内渠道渗漏试验,对不同渠道水位、渠床土质结构影响下渠道渗漏量的变化以及土壤中湿润锋的前进过程进行了试验观测。选用饱和－非饱和土壤水、热和溶质运移模拟软件HYDRUS-2D,对室内试验过程进行了模拟验证及分析。结果表明,渠床中禁锢气体的存在可能阻碍湿润锋行进,使模拟结果产生误差。但总体来说基于Richards方程的饱和－非饱和土壤水分运动模型能够对含有夹砂层渠床的渠道渗漏及土壤水分运动进行模拟。当渠床中有砂质夹层时,湿润锋在交界面处会出现不连续的现象。夹砂层的阻水减渗现象在渠道水位较低时比较明显,当渠道水位较高时,夹砂层的存在甚至会增大入渗量。研究成果可为渠床含有砂层情况下的渠道防渗技术提供参考。     

基于数值模拟的微型溴化锂屏蔽泵的性能分析

针对现有单级溴化锂屏蔽泵存在效率低、能耗高的缺点,研究开发了两级叶轮微型溴化锂屏蔽泵。设计两级微型溴化锂屏蔽泵机泵一体结构以及两级屏蔽泵的水力部件,包括叶轮设计、径向导叶和螺旋形涡室组合设计等。利用CFD软件FLUENT,对两级屏蔽泵进行流场模拟,得到了内部流场的分布情况。由此分别以溴化锂和清水为介质进行了性能预测,与设计值进行比对,结果符合设计要求。经样机试验验证,在相同流量下,两级微型溴化锂屏蔽泵比现有单级微型溴化锂屏蔽泵扬程高约1 m,机组效率高约1.6%。设计的两级屏蔽泵的扬程和机组效率模拟值与试验值比较接近,初步验证了模拟可信,设计方法可行。     

基于EDEM软件的指夹式精量排种器排种性能数值模拟与试验

为研究玉米籽粒尺寸及工作转速对指夹式精量排种器排种性能的影响,对排种器工作原理进行阐述,建立了指夹夹持动力学模型,分析了充种夹持过程中玉米籽粒尺寸及工作转速对指夹夹持性能的影响。运用EDEM软件进行排种性能虚拟试验,分析了排种过程中造成不同尺寸等级籽粒产生重播、漏播问题的主要原因。仿真结果表明,当工作转速15~45 r/min时,排种器对中型尺寸籽粒的排种性能最优,其合格指数大于84%;对大型尺寸籽粒的排种性能次之;对小型尺寸籽粒的排种性能较差,其合格指数大于80%。随工作转速增加,排种器对各尺寸等级籽粒的排种性能皆呈下降趋势。在相同工况(15~45 r/min)下选取3种相应尺寸等级玉米籽粒,进行台架验证试验。结果表明,台架试验结果与仿真基本相同,合格指数最大误差为7.4%,且排种性能随玉米籽粒尺寸及工作转速的变化规律一致。田间试验表明,排种器对各尺寸等级籽粒的排种性能皆满足精密播种要求。该研究为指夹式精量排种器及其关键部件的优化设计提供了参考。     

梯形渠道衬砌冻胀破坏弹性地基板模型

为探讨开放系统中梯形混凝土衬砌渠道的冻胀问题,根据衬砌板与冻土地基的相互关系,采用 Winkler弹性地基板理论建立了考虑冻胀力和冻结力作用的衬砌板冻胀破坏力学模型,使用解析法得到了衬砌板变形和内力解,对不同地下水埋深、衬砌板几何参数的影响规律进行了分析。通过与已有现场观测值和计算值进行对比,验证了弹性地基板理论计算结果的正确性。研究结果表明：坡板在非均匀分布的冻胀力作用下,挠度、弯矩和剪力也表现为非均匀分布,挠度最大值在坡顶距坡脚2/3处,弯矩最大值靠近底板位置,拉应力分布与内力分布规律一致,与已有研究结果吻合。与梁理论相比,板理论计算结果表明衬砌板的挠度和内力沿板宽方向为非均匀分布,挠度和弯矩在自由边界（纵向伸缩缝）处增大,扭矩主要分布在衬砌板的拐角处。切向冻结力对渠道冻胀影响较小,在原渠道工况下,不考虑切向冻结力与考虑最大切向冻结力之间,最大挠度相差0.7 mm。针对不同地下水位的渠道,给出了衬砌板的安全厚度,可为现浇混凝土梯形渠道的抗冻胀设计提供参考和理论依据。     

灌淤冻土复合衬砌渠道保温防冻胀效果分析

为解决河套灌区渠道混凝土衬砌冻胀破坏问题,该研究提出由聚氨酯和聚苯乙烯2种材料组成的复合衬砌结构,建立渠道基土水热力耦合数值模型,通过现场试验和数值模拟方法分析不同衬砌结构下基土地温、含水率、冻胀量及等效应力变化。结果表明:与无保温衬砌结构相比,阴坡聚苯乙烯复合衬砌结构和聚氨酯复合衬砌结构下基土最低地温分别提高67.1%和64.7%,最大迁移含水率分别减少8%和9%,最大冻胀量分别减少80%和81%,基土内等效应力明显减小。这2种复合衬砌结构具有保温效果好、冻胀变形小等优点,可作为寒区渠道保温防冻胀衬砌结构的选择。同时数值模型计算结果与试验值基本吻合,说明此数值模型可合理地描述渠道基土冻结过程中地温和冻胀量变化。研究可为寒区渠道防冻胀衬砌结构设计提供理论依据和参考。     

考虑冻土双向冻胀与衬砌板冻缩的大型渠道冻胀力学模型

由于大型渠道断面大、渠坡长,渠基冻土沿坡长方向的切向冻胀及衬砌板的冻缩变形不可忽略,该文把大型渠道衬砌板的冻胀破坏视为两者共同作用的结果,结合冻土的Winkler弹性地基假设,并考虑冻土冻胀变形的双向冻胀差异,提出一种开放系统梯形渠道衬砌板法向和切向冻胀力的计算方法及内力计算公式。基于弹性地基理论推导了衬砌板的冻缩应力表达式,并由迭加原理提出大型混凝土梯形渠道衬砌板的抗裂验算方法。以甘肃靖会灌区某梯形渠道为原型,分析了衬砌板各截面内力和冻缩应力的分布规律,进而确定了各截面最大拉应力的分布规律及危险截面位置。对综合考虑冻土双向冻胀和衬砌板冻缩及仅考虑法向冻胀的2种情形进行对比分析表明,基于前者的衬砌板最大拉应力为2.134 MPa,而基于后者计算的相应值仅为1.494 MPa,与前者相比偏小、偏不安全。因此,在大型渠道的抗冻胀设计中建议综合考虑冻土双向冻胀和衬砌板冻缩变形的影响。     

基于TCR传热原理的混凝土复合保温衬砌渠道防冻胀效果研究

中国北方寒冷地区广泛采用保温措施进行渠道防冻胀,在苯板保温防冻胀设计中铺设厚度一般根据半理论半经验确定,并没有考虑衬砌板与保温板接触热阻及交错布置对保温性能与削减冻胀的影响。该文依据固体材料接触热阻(thermal contact resistance,TCR)原理与压力相关的传热本构模型,提出了混凝土复合保温衬砌新型式。通过ABAQUS有限元软件采用热力耦合模拟将其与普通型式的苯板保温渠道进行比较。结果表明:与普通保温衬砌渠道相比,外界负温时,复合保温衬砌的保温及消减冻胀力效果显著。理论上复合保温衬砌冻胀量消减40%以上,法向冻胀力减少66%,切向冻结力减小58%。对寒区衬砌渠道保温防冻胀设计提供了相应的理论参考。     

考虑基土不均匀冻胀的梯形渠道混凝土衬砌弹性地基梁力学模型

为了探究寒区高地下水位引起基土和衬砌板耦合非均匀变形对梯形渠道衬砌内力变化影响规律,该研究在前期提出的弹性地基梁模型基础上,将衬砌板与基土相互作用效应分解为基土不均匀自由冻胀位移、衬砌板受到冻土反作用产生的位移和边坡衬砌板坡脚约束产生的相对转动位移,从而建立了满足两端变形协调的弹性地基梁模型。以甘肃省高液限土壤,地下水位5 m地区的边坡系数为1的渠道为例,探究不同边坡衬砌板长度和不均匀冻胀基土之间的相互作用。结果表明,边坡衬砌板长度每增加1m,冻胀反力最大值增大142%,弯矩最大值平均增大223%,弯矩最大值点会从原来的距坡脚1/3左右处向坡脚偏移。以边坡衬砌板长度为4 m为例,探究了基土均匀冻胀和不均匀冻胀对边坡衬砌板影响的差异,得出基土不均匀冻胀的冻胀反力最大值和弯矩最大值,分别比基土均匀冻胀大264%和170%。因此,在寒区高水位地区进行渠道抗冻胀衬砌设计时,宜按基土非均匀冻胀弹性地基梁模型计算。     

U形混凝土衬砌结构冻胀性能离心模型试验研究

为了控制季冻区渠道混凝土衬砌结构的冻胀破坏程度,基于小型U形渠道混凝土衬砌结构的冻胀破坏特征及抗冻胀性能,通过取消衬砌结构的刚性接缝形成整体式大跨度U形混凝土衬砌结构,并利用冻胀离心模型试验研究该衬砌结构的冻胀效应。试验表明,土温在冻结前期降幅较大,渠坡两侧土体降温快于渠底。整体式大跨度衬砌结构呈偏心受力状态,坡板上部上表面受拉,底板上表面受压。变形性能良好,在持续负温作用下没有发生明显的破坏,冻胀变形从坡板变形开始,随着渠道底部土体温度的下降,引发结构整体变形,底板大幅抬起。结构以向上抬升为主,同时沿法向向衬砌结构中心收缩。底板和坡板的抬升最大分别可达16、4 mm。渠坡向内回缩约5 mm。整体式大跨度U型混凝土衬砌结构抗冻胀性能良好,能在一定程度上减轻衬砌结构的冻胀破坏。     

基于昼夜温度变化的混凝土衬砌渠道冻胀有限元分析

为了掌握衬砌渠道冻胀量及冻胀力随昼夜气温变化的发展规律及冻胀破坏极限状态,根据冻土力学及冻土物理学理论,利用有限元软件ANSYS按瞬态温变模式加载温度,对衬砌渠道冻胀过程进行数值模拟,研究了其温度场和冻胀变形及法向冻胀力与切向冻胀力随时间的变化规律。结果表明：渠道冻融破坏除因渠基土冻胀外,阴阳两坡的温度、冻胀变形、冻胀力既不均匀不对称变化又不同步,也是渠道冻胀破坏的重要原因;阳坡滞后阴坡约15 d冻结,最大冻胀量及最大冻胀力滞后日平均最低气温约4 d,日内最大冻胀量及最大冻胀力滞后日最低气温约1 h;模拟结果与野外观测资料基本吻合,但比稳态数值模拟结果偏大,表明了运用瞬态数值模拟进行渠道抗冻胀设计的正确性和合理性。     

基于EDEM的振动筛分数值模拟与分析

为了寻找振动筛的最佳运动学参数（振幅、频率、振动方向角）,达到提高透筛效率并减少清选损失的目的,利用EDEM软件,对振动筛分过程进行数值模拟,得出在其他条件一定的情况下,随着振幅和频率的增加,物料沿筛面后移的速度增加,同时透筛效率增高,在振幅40 mm时和频率6 Hz时出现筛分损失;随着振动方向角的增大,在25°到45°范围内,物料沿筛面后移的速度增加,在45°时达到最大,超过45°之后,物料沿筛面后移的速度逐渐降低,而透筛效率在35°时最高,超过35°,透筛效率逐渐降低。模拟结果与试验测量结果总体趋势基本吻合,这表明了利用EDEM进行数值模拟的正确性和可行性。