宁夏渠道衬砌防冻胀试验研究

衬砌渠道冻胀破坏多年来一直影响着宁夏渠道的使用年限和安全运行。在对宁夏灌区多年来渠道衬砌型式及应用效果调查、分析、总结,并借鉴国内研究成果和成功经验的基础上,选取具有代表性的渠道汉渠作为试验段,设计12种不同衬砌结构型式,通过三年的试验观测,取得了大量的试验数据。对不同衬砌型式的防冻胀效果和技术经济指标进行综合分析比较,提出适合宁夏灌区特点、满足渠道安全运行、经济实用、防冻胀效果显著的混凝土板＋土工膜＋苯板＋砂砾石换填等多种衬砌结构型式。     

梯形与准梯形渠道冻胀有限元分析

根据混凝土衬砌梯形渠道冻胀变形及破坏特征,通过恰当的假设及简化,利用有限元分析软件ANSYS对其冻胀过程进行数值模拟,对温度场和应力场及变形场进行分析研究,模拟结果与野外观测资料基本吻合,表明渠道冻胀的二维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,同时模拟了准梯形渠道冻胀,指出准梯形断面抗冻胀能力高于梯形断面.     

模袋混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型及应用

为了探究寒区模袋混凝土梯形衬砌渠道冻胀破坏力学模型,通过总结寒区模袋混凝土梯形衬砌渠道的冻胀破坏形式,对模袋混凝土梯形衬砌渠道发生冻胀破坏的机理进行分析,并结合大量的野外试验,对寒区模袋混凝土衬砌渠道的受力问题进行研究.在此基础上,通过对衬砌渠道合理的假设和简化,提出了模袋混凝土梯形衬砌渠道受冻胀破坏的力学模型,推导出模袋混凝土在空洞处内力表达式,同时总结了模袋混凝土衬砌结构发生冻胀破坏的判断准则.通过有关规范确定了最大法向冻胀力和切向冻结力,即可求出模袋混凝土的内力,并对模袋混凝土的厚度进行验算,为今后的工程设计提供一定的理论依据.在实际工程中,模袋混凝土衬砌结构在空洞处容易发生断裂破坏,应避免模袋混凝土衬砌结构出现空洞现象.     

梯形渠道冻胀数值模拟与边坡系数优化

为了得到梯形衬砌渠道适宜的保温措施和渠道断面形式，采用考虑混凝土材料非线性特性及基土与衬砌间接触力学行为的梯形衬砌渠道冻胀破坏热力耦合数值模型的方法，以黑龙江蛤蟆通灌区总干渠为原型渠道，分析了3种不同保温措施对渠道冻胀量的影响，与不设置保温措施的对比段进行比较，并应用该模型分析了不同边坡系数对梯形渠道冻胀适应性能的影响。结果表明，综合考虑工程安全性与经济性，黑龙江省蛤蟆通灌区渠道最优保温板厚度为渠坡10 cm，渠底12 cm，与试验结果相一致；当梯形渠道保温板厚度取最优值时，梯形渠道最优边坡系数为2，此时渠道衬砌适应冻胀性能较好，工程造价也相对较低；研究结果可为黑龙江及其他北方地区梯形渠道提供参考。     

弧底梯形渠道抗冻胀结构优化与数值模拟

在季节性冻土地区,弧底梯形渠道属于抗冻胀结构之一,但其设计方法仍依靠经验和规范,设计结构易发生冻胀破坏,为此提出了结构优化的方法进行渠道设计。该方法包括构建结构优化数学模型和"冻土-衬砌结构"简化算法二方面内容。首先以渠道造价为目标函数,以实用经济断面、衬砌体拉应力和法向位移为约束,建立结构优化数学模型。其次采用"初始冻胀位移"模拟高度非线性的法向冻胀力,通过定义摩尔库仑摩擦单位模拟冻土与衬砌间的相互作用,最后基于ANSYS的APDL语言的二次开发建立参数化模型进行结构优化。通过实际工程的结构优化表明,在最不利气象和水文地质条件下,优化后的断面可保证渠道不产生裂缝;同时节约土地面积207 m~2/km,衬砌厚度减小0.3 cm。提出的方法可用于弧底梯形渠道结构计算和优化设计,可以获得运行安全、造价合理的断面尺寸。     

宁夏引黄灌区渠道砌护破坏原因分析与防治措施研究

在多年工程实践及调查研究的基础上,总结影响渠道防渗衬砌冻胀破坏的主要因素:渠床土质、冻土深度、地下水埋深、渠道走向、衬砌结构形式及材料对衬砌渠道防冻胀的影响,提出选择合理断面形式及衬砌结构、应用防渗新材料、换填弱冻胀性土、隔热保温等削减或适应冻胀的措施.     

宁夏季冻区骨干输水衬砌渠道冻害调查与原因分析

【目的】总结宁夏骨干输水衬砌渠道冻害现状,分析造成渠道冻害问题频发的主要原因。【方法】在对宁夏引黄灌区骨干渠道深入调研的基础上,总结冻害现状及特征规律,量化分析了不同影响因素对冻害影响程度。【结果】梯形断面主要发生错台、整体脱空、滑塌及开裂,弧底梯形断面主要发生坡脚、渠底开裂以及错台,弧形坡脚梯形断面主要发生坡脚开裂以及拱起破坏;渠道不同位置处的最大冻融深度随着地下水位埋深的增大而增大,地下水位埋深对最大冻融深影响的敏感程度顺序为:渠顶>1/2渠坡>渠底;各月平均地面冻深呈现阴坡>渠底>阳坡,冻结速率阴坡最大,阳坡与渠底冻结速率大小不一;东西走向阴坡冻深为阳坡的1.3～2.4倍不等,渠底位置冻深最大,阴坡坡脚次之;南北走向阴坡坡脚冻深为阳坡的1.1～2.0倍不等,渠底位置处冻深最小;不同结构型式对冻胀量不均匀程度影响:梯形>弧形坡脚梯形>弧底梯形渠道。【结论】破解宁夏引黄灌区骨干渠道冻害破坏严重的问题,仍需从解决高地下水位影响、混凝土材料性能提升、纵缝设置不规范突出问题出发,开展符合区域实际特点的滤透式衬砌结构优化研究,混凝土干湿、冻融、盐渍化交互影...     

弧底梯形和U形刚柔混合衬砌渠道冻胀有限元分析

近年来刚柔混合衬砌渠道发展迅速,目前在南水北调、引额济克、季节性冻土区的灌区输水渠道工程中广泛应用。国内一些学者对混凝土衬砌渠道冻胀数值模拟做了研究,但关于刚柔混合衬砌渠道冻胀破坏的有限元分析未见报道。针对弧底梯形和U形刚柔混合衬砌渠道,应用ANSYS软件,对其冻胀过程进行模拟分析。采用间接耦合方式,首先进行热分析,得到渠道温度场,再转换单元类型为结构场,施加热分析得到的温度应力进行结构分析,计算渠道变形场和应力场,进而分析渠道冻胀受力情况及变形规律,对进一步推广应用大中型弧底梯形和U形刚柔混合衬砌渠道具有重要的意义。     

影响衬砌渠道冻胀破坏严重的关键因素

衬砌渠道冻胀破坏多年来一直影响着宁夏引黄灌区渠道的使用年限和安全运行,制约着灌区发展。通过大量的试验数据对引起灌区混凝土衬砌渠道冻胀破坏的渠床土质、土体密度、气温、地温、冻土深度、冻胀量、基土水份、地下水位等因素进行研究分析,研究衬砌渠道冻胀破坏机理、各影响因素与冻胀破坏的关系,为灌区续建配套和节水工程改造设计与建设提供技术依据。     

梯形渠道冻胀数值模拟与边坡系数优化

为了得到梯形衬砌渠道适宜的保温措施和渠道断面形式,采用考虑混凝土材料非线性特性及基土与衬砌间接触力学行为的梯形衬砌渠道冻胀破坏热力耦合数值模型的方法,以黑龙江蛤蟆通灌区总干渠为原型渠道,分析了3种不同保温措施对渠道冻胀量的影响,与不设置保温措施的对比段进行比较,并应用该模型分析了不同边坡系数对梯形渠道冻胀适应性能的影响。结果表明,综合考虑工程安全性与经济性,黑龙江省蛤蟆通灌区渠道最优保温板厚度为渠坡10 cm,渠底12 cm,与试验结果相一致;当梯形渠道保温板厚度取最优值时,梯形渠道最优边坡系数为2,此时渠道衬砌适应冻胀性能较好,工程造价也相对较低;研究结果可为黑龙江及其他北方地区梯形渠道提供参考。     

梯形渠道砼衬砌冻胀破坏力学分析

通过对砼衬砌梯形渠道的冻胀破坏特征和机理的探讨,对渠道衬砌结构及其所受荷载进行简化,并分析其受力情况.认为梯形渠道边坡板与底板间由伸缩缝隔开,二者互为约束,但不能互相提供弯矩,将二者间的连结简化为铰结是合理的.指出渠道所受冻胀力和冻结力并不是独立的起作用,二者之间相互影响、相互依赖.针对小尺寸、整体性较好的梯形渠道提出...     

U形衬砌渠道结构及水力最佳断面的分析

通过对U形断面渠道的衬砌冻胀破坏特征、机理的分析,指出最优U形断面应是从结构和水力两方面考虑的,通过合理的假设,建立简单的力学模型,以衬砌体结构抗冻胀性能最优及水力最佳为原则,最终推出最优的U形渠道断面参数孤底圆心角和圆弧上部直线段的长度.同时,指出了U形衬砌渠道的冻胀力分析可以表达成最大冻结力的函数,而最大冻结力是反映土质、负温及水分状况的综合指标,只要根据经验或实验确定了最大冻结力,再结合渠道几何要素及衬砌材料的力学指标和衬砌结构的有关参数,就能计算出最优U形断面的参数,使问题简单化、定量化.该计算方法的结果表明符合工程实践的要求,而且安全合理,使用简单.     

复式断面渠道渠系水利用系数测算方法研究

【目的】研究采用复式断面渠道的灌区渠系水利用系数更精确地测算方法。【方法】采用动水测定法测定了渠道各断面水力要素,之后通过修订后的戴维斯-威尔逊公式和考斯加科夫渠道渗漏经验公式求得研究区域复式断面渠道渠系水利用系数,对比分析了各渠道水损失以及渠系水损失量。【结果】动水测定法更适合不断流复式断面渠道水力要素的测算;采用标准梯形断面渠道衬砌的方式渠道损失最小;考斯加科夫渠道渗漏经验公式求得灌区渠系水利用系数为0.75,而戴维斯-威尔逊公式求得灌区渠系水利用系数为0.82,更加接近实际值0.86,精确度提高了9.5%。【结论】由于占地、开挖等影响因素,灌区渠系衬砌后多形成复式断面渠道,灌区渠道衬砌优先采用标准梯形断面衬砌方式。对于这类渠系工程,动水测定方法明显优于典型渠道测量方法,戴维斯-威尔逊公式也更适用于复式断面渠道的渠系水利用系数的测定。     

基于数值模拟的“适变断面”衬砌渠道抗冻胀机理探讨

能适应渠基冻胀变形的衬砌渠道简称“适变断面”渠道。为了探明其抗冻胀机理及削减冻胀效果,应用ADINA软件对混凝土衬砌“适变断面”渠道冻胀进行数值模拟,计算渠道冻胀的温度场、变形场和应力场,研究衬砌板应力和变形规律,并与弧形坡脚梯形渠道比较分析表明：“适变断面”渠道能降低最大法向冻胀量55.11%、最大法向冻胀力51.65%、最大切向冻结力56.85%;通过冻胀量均方差及冻胀力分析比较,“适变断面”使渠道受力状态得到显著改善,冻胀变形分布更加均匀;衬砌板法向错位值总计1.3 cm,纵向伸缩缝周向压缩值总计为9.7 cm,揭示了“适变断面”渠道利用宽纵缝既能释放衬砌板法向冻胀变位,又能吸收周向冻胀变位,从而适应渠基冻胀变形减轻冻害的抗冻胀机理。最后通过模拟计算了“适变断面”渠道冻胀量均方差对边坡系数的敏感性,指出边坡系数i约为1∶1.7～1∶1.4时,“适变断面”渠道抗冻胀效果很显著,为“适变断面”渠道的推广及优化设计提供了参考。     

渠道防渗防冻复合衬砌结构的研究

在我国北方地区的渠道衬砌工程中,存在着因基土冻胀而造成的衬砌破坏问题。本文提出了以珍珠岩板作为衬砌渠道防冻胀新材料,以及制作珍珠岩板和混凝土防渗板相结合复合板的生产工艺。这为我国季节性冻土地区渠道防渗工程的设计提供了依据。     

Frost heave prevention measures for canal linings in China

Since the late 1970s, much experimental work has been carried out on the prevention of frost heave in canal linings in China. This paper presents the main research findings and engineering practices on this topic. After discussing the unevenly distributed heaving deformation on the canal section and the effect of soil moisture on the frost heave of the canal subsoil, the paper describes the measures taken in China to prevent the frost damage, including the proper selection of the canal alignment, the appropriate types of the cross section and the lining structures, the subsoil replacement with sand-gravel, the adoption of double lining (placing a membrane under the concrete slabs), the utilization of the insulation material and the prevention measures related to O & M. All these measures should be adopted in accordance with the local conditions.Abbreviations FHR Frost heave ratio, equal to h/H, where h is the amount of frost heave, H is the frozen depth - RR Subsoil replacement ratio, equal to T/H, where T is the thickness of the replacement, H is the maximum frozen depth - URFD Unit reduction of the frozen depth, equal to H/d, where H is the reduction of the frost penetration, d is the thickness of the insulation board     

田间梯形衬砌渠道纵横断面优化设计

本文运用非线性数学模型推导了最优衬砌梯形横断面,它是边坡ｍ＝３／３时的水力最优断面,在此基础上提出了几种田间梯形衬砌渠道纵横断面优化设计方法。     

高地下水位冻土区抛物线形渠道冻胀力学分析

考虑渠道断面各截面地下水位以及局部几何特性逐点不同的特殊性并结合Winkler假设,提出了高地下水位冻土区抛物线形渠道衬砌法向冻胀力与切向冻结力计算方法及截面内力计算公式.考虑曲梁曲率影响提出基于曲梁理论的截面正应力计算方法及抗裂验算公式.以河北某抛物线形渠道为例,分析衬砌截面轴力、弯矩及应力分布规律.结果表明:轴力自渠顶向渠底中部逐渐增大且均为压力;衬砌板主要在负弯矩作用下凸向内侧,仅在临近渠底时由负变正转而凸向外侧;由于存在拱效应,各截面均以压应力为主,仅渠坡中下部内侧及渠底中部附近外侧出现拉应力从而易导致开裂.分别应用直梁理论和曲梁理论计算衬砌板截面应力并进行对比分析.发现渠底中心附近曲率较大处两者相对误差可达11.78%,且直梁理论的计算结果量值偏小、安全性低,应当基于曲梁理论进行应力分析更加合理.