寒区冬季输水渠衬砌的冻胀破坏及防治措施研究

指出了寒区冬季引水刚性衬砌渠道的冻胀破坏是由于水位线以下渠基土无冻胀无变位而水位线以上的渠基土冻胀变位,再加上静水压力,衬砌板的自重及水流的振动作用,使边坡板在水位线附近未冻结的部位被拉断或被折断而引起.寒区冬季引水刚性衬砌渠道的冻胀破坏有别于冬季不输水渠道的冻胀破坏,即其冻胀破坏部位较高,多发生在边坡板的中1/3的范围内,而且冻胀量大,衬砌板破坏后隆起高度大.据此提出了边坡采用基土换填和设置保温层法来有效地防治渠道冻胀破坏.同时阐述了换填方法的原则及选用保温措施时的选材依据及合理地确定保温层尺寸方法.     

复合土工膜与纳米混凝土衬砌渠道冻胀模拟

兼顾材料和结构的防渗抗冻胀技术受到广泛共识,复合土工膜具有防渗性能好,适应变形能力强等优点,混凝土加入纳米微粉可大幅提高其抗渗、抗冻性能且经济合理.为了研究这两种防渗技术的有效性,以甘肃靖会总干的梯形渠道为例,采用有限元分析软件ADINA,对其进行温度场、变形场及应力场仿真分析,研究了衬砌板的冻胀变形及其法向冻胀力和切向冻胀力分布规律,并分析衬砌板的应力及破坏规律;通过与普通混凝土衬砌对比分析,指出采用纳米微粉高性能混凝土、复合土工膜柔性防渗抗冻胀技术措施不仅能使衬砌板的冻胀量及冻胀力更加均匀,而且通过柔性释放变形,可使其法向及切向冻胀力减小30%～48%,可有效控制衬砌渠道冻胀破坏,为进一步优化结构与材料组合提供借鉴.     

HDPE板衬砌渠道可行性初探

为了分析高密度聚乙烯(HDPE)板衬砌技术在渠道工程中的可行性,使用改性后的HDPE原料或废旧PE滴灌带作为渠道的衬砌板,结合施工方案设计、水力学分析以及冻胀数值模拟对其展开研究.HDPE板采用热熔连接和在渠段连接处设置伸缩孔的施工方案,保证了整体的防渗性能.水力学分析表明:相较于混凝土衬砌渠道,低糙率的HDPE板衬砌可以减小渠道一半的过流面积,间接减小了工程占地面积和工程量.冻胀模拟结果表明:与混凝土板衬砌渠道相比,柔性的HDPE板材料使渠基土的冻胀力得到较大的释放,渠坡板的法向冻胀力和切向冻胀力分别减小51.15％和45.49％,渠底板的法向冻胀力和切向冻胀力分别减小84.22％和85.59％;随着HDPE板厚度减小,渠板位移、法向冻胀力以及切向冻胀力会有略微的增加,但不会发生断裂破坏.综合表明:HDPE板衬砌渠道具有施工方便快捷、防渗性能较好、水力性能优良、抗冻胀效果显著、符合可持续发展理念等特点,此项研究可为寒旱地区梯形渠道工程设计和施工提供参考.     

两拼式U形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏力学模型

两拼式小型U形渠道混凝土衬砌属薄壳拱形结构。通过对两拼式小型U形渠道砼衬砌冻胀破坏机理及破坏特征的力学分析,确定了在法向冻胀力、法向冻结力及切向冻结力和重力共同作用下混凝土衬砌整体结构的计算简图,建立了该衬砌结构冻胀破坏的力学模型并推导出冻胀控制内力及最大拉应力的计算公式。结合混凝土板抗裂条件,给出了胀裂部位、衬砌板厚及抗冻胀破坏验算的方法。结果表明,与三拼式U形渠道相比,两拼式U形渠道衬砌结构法向冻胀力小、分布均匀、恢复力大、整体适应变形及抗冻胀能力强。     

渠道刚性衬砌受冻胀时的内力计算

根据寒区渠床沿断面高度含水率分布不均致使冻土产生不均匀冻胀量的理论,分析边坡板的冻胀变位,研究板与冻土间的相互约束关系,合理地解释了边坡板在实际工程中沿斜坡整体上移和隆起架空的现象 板沿斜坡整体上移是板正常的变位,板的隆起架空现象就是板的失稳破坏。明确了渠道护面板受冻胀时的受力模型,确定边坡板是偏压构件,底板是压弯构件,从而提出了较为完整的寒区刚性护面渠道护砌层受冻胀时的内力计算方法     

刚性衬砌渠道受冻胀时衬砌层受力的试验研究

为了研究刚性衬砌道受冻胀时衬砌层的受力状况，通过模型模拟试验研究，找出了刚性砌渠道受冻胀时边坡衬砌层（板）的受力情况与其下渠床上含水量渠道横断面高度分布之间的内在规律，为寒区刚性衬砌渠道如何采取防洪胀措施提供了科学依据。     

一种用挠度方程计算渠道冻胀内力的方法

季节性冻土地区的渠道衬砌易遭受冻胀破坏。【目的】探明渠道衬砌的冻胀破坏机理。【方法】采用力学理论基本计算方法,考虑渠道衬砌自重、法向冻胀力、法向冻结力和切向冻结力等4种作用力,建立了U形渠道直坡板的挠度方程,依据渠道衬砌坡板不同位置的实测冻胀量,联立方程组,求解出未知冻胀力。【结果】利用该方法可以简单准确计算渠道直坡板的最危险截面位置和未知冻胀力;利用该模型的解析解对渠道实测冻胀量进行计算比较分析,该模型计算出的冻胀力与实测值吻合度高。【结论】该方法易于准确求解渠道衬结构的砌冻胀内力。     

渠道冻胀敏感性数值模拟分析

渠道冻胀破坏机理复杂,其主要影响因素可归纳为土、水、温与附加荷载等4个方面。为了探明渠道冻胀影响因素对于混凝土衬砌渠道的影响程度和规律,利用正交实验设计理论,选取渠道冻胀不均匀系数作为评价指标,渠道断面形式、混凝土衬砌板厚度、分缝位置、渠基土冻胀系数和混凝土衬砌板弹性模量E作为影响因素,利用有限元软件ADINA进行数值模拟,研究各因素对渠道冻胀的敏感性。结果表明,5个因素敏感性由大到小依次排列为:渠道断面形式渠基土冻胀系数分缝位置混凝土衬砌板厚度混凝土衬砌板弹性模量E,从而为探索混凝土衬砌渠道最有效的抗冻胀措施及设计方法提供了科学合理的方法和依据。     

大U形渠道冻胀机理试验研究

渠道衬砌的冻胀破坏是温度、水分、土质和冻胀力等因素共同作用的结果,是北方地区渠道的主要破坏形式。通过对大U形渠道的冻胀观测试验,对衬砌的气温、地温,渠基土的含水率、冻深以及衬砌的冻胀变形量等实验数据统计比较,分析了渠道衬砌的主要破坏时段和破坏部位的分布规律及其形成原因,提出了相应措施,为进一步完善渠道衬砌冻害机理的理论研究提供了科学依据。     

韩墩引黄灌区衬砌渠道损坏原因分析及对策

在渠道衬砌损坏情况调查分析的基础上,总结了衬砌渠道损坏的主要形式,并对每种损坏形式进行了原因分析,指出边坡陡、基土冻胀变形、基土渗透变形及渗透压力的作用是造成衬砌损坏的主要原因。针对损坏原因,从设计、施工和管理上找出了对策。此外,据韩墩总干衬砌渠道的损坏情况,肯定了在季节性冻土地区通过渠道衬砌实现基土保温的必要性。     

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.     

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     

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.     

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.     

内蒙古临河地区渠道衬砌工程保温防冻胀试验研究

在我国北方的季节性冻土地区,防渗衬砌渠道的冻胀破坏对输水工程的危害最大.针对内蒙古临河地区南边分干渠冻胀破坏问题,提出了在渠道混凝土衬砌下铺设聚氨酯保温板新材料的措施.通过进行现场保温防冻胀试验,分析了各种保温措施下渠道基土的地温、冻深、含水率和冻胀量等影响冻胀变化因素的规律及其特征,总结了不同方案下的保温防冻胀效果,得出了适合该地区混凝土衬砌渠道中聚氨酯保温材料的防冻胀破坏方案:渠道阳坡上部使用3 cm厚的聚氨酯保温板,阳坡下部使用4 cm厚的聚氨酯保温板,阴坡上部使用4 cm厚的聚氨酯保温板,阴坡下部使用5 cm厚的聚氨酯保温板就可以保证混凝土衬砌体不发生冻胀破坏,同时为后续刚性衬砌渠道中采用聚氨酯保温材料防冻胀提供了技术支持.     

保温型刚性护面渠道设计

在刚性面层下设置一道性能良好的保温层来防止基土冻结,可以从根本上解决冻胀破坏的问题。这种带保温层的刚性护面渠道称为保温型刚性护面渠道,根据热工原理,提出了保温型刚性护面渠道横断面设计在构造方面的要求,进一步推导出计算保温层厚度的有关公式,并给出算例,还指出了需要进一步研究和探讨的问题。     

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。     

南疆渠道冻胀破坏与盐胀破坏的探讨

冻胀是造成衬砌渠道破坏的主要因素,同时抗冻胀问题处理也是渠道工程建设中的重点和难点.在南疆地区,除冻胀作用外,还涉及到盐胀对衬砌渠道的破坏作用,如何正确分析冻胀与盐胀对渠道的破坏作用是保证工程安全使用的关键.通过对冻胀与盐胀的破坏机理分析,浅析冻胀与盐胀在南疆渠道使用过程中的破坏,阐述并分析了造成冻胀与盐胀破坏的原因,并提出了建议性的对策措施.