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。     

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。     

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。     

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。     

混凝土防渗渠道冬季输水运行中冻胀与抗冻胀力验算

为了明确渠道冬季输水时防渗衬砌层结构的抵抗渠床基土冻胀破坏作用的能力,该文理论分析了大气负温下,介入刚性防渗面层对渠基土冻胀的约束,得到作用于坡板上冻胀力的作用形式为法向冻胀力和指向坡顶的切向冻胀力,对被视为底端简支、板内无接缝、受冻胀作用的构件受力进行理论分析,得到冬季输水渠道边坡板的冻胀问题属于非垂直非全周的冻拔问题的结果,并进一步根据力学基本原理研究了刚性面层(衬砌层)承受荷载力的求解方法。依据桩的抗冻拔验算和拉弯构件的强度验算可实现冬季输水渠道抗冻胀力的计算,建立了适用于防渗渠道刚性衬砌结构设计的方法,为冬季输水梯形混凝土防渗抗冻胀渠道衬砌层厚度的准确确定提供了计算方法。     

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。     

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。     

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。     

梯形渠道砼衬砌冻胀破坏的力学模型研究

通过对梯形渠道砼衬砌冻胀破坏机理的分析，指出了渠坡衬砌板的计算简图为在法向冻结力、切向冻结力、法向冻胀力及衬砌板约束力作用下的两端简支梁；渠底衬砌板和两衬砌板都属压弯组合变形构件。提出了梯形渠道砼衬砌冻胀破坏的力学模型，并解出了渠坡衬砌板、渠底衬砌板控制内力及最大拉应力计算公式，结合砼板抗裂条件给出了冻胀力、胀裂部位、冻胀抗裂衬砌板厚度及抗冻胀破坏验算的一系列计算方法。指出了衬砌板上除重力以外的各种冻结力、冻胀力及相互约束力的大小及方向都是相互依存，最终都可以表达为最大切向冻结力的函数，而最大冻结力则是反映土质、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，力学模型就可求解。工程计算表明该模型是安全合理、简单实用的。     

弧底梯形渠道砼衬砌冻胀破坏的力学模型研究

弧底梯形渠道以其抗冻胀性能及水力特性良好,在北方寒旱地区得到广泛应用,但该种形式衬砌的结构计算仍无力学模型,该衬砌体的设计只能凭经验选取,而无法量化.该文通过对弧底梯形渠道砼衬砌冻胀破坏机理及破坏特征的分析,指出了弧底梯形渠道砼衬砌整体结构的计算简图是在法向冻胀力及切向冻结力和重力共同作用下的薄壳拱形结构,就局部受力来看属压弯组合变形问题.通过恰当假设及简化,提出了该砼衬砌整体结构冻胀破坏的力学模型,求出了其冻胀控制内力及最大拉应力的计算公式,并结合砼板抗裂条件,给出了胀裂部位、衬砌板厚及抗冻胀破坏验算的一系列计算方法.理论分析阐明了弧底梯形砼衬砌结构因法向冻胀力数值小、分布均、恢复力大,因此,整体适应变形及抗冻胀能力强,从而更优于梯形断面.实例计算表明该模型安全合理、简单实用.     

基于弹性地基梁理论的梯形渠道混凝土衬砌冻胀力学模型

冻胀破坏是寒区渠道衬砌破坏的主要方式,建立合理的冻胀力学模型是渠道衬砌抗冻胀设计的基础。该文基于Winkler假定,将渠道基土的冻胀效应等效为一组相互独立且垂直或平行于衬砌板的弹簧。冻胀量通过弹簧的伸长量体现,冻胀力通过弹簧被压缩产生的反力体现。结合梯形渠道冻胀时衬砌板的受力特点,应用SL23-2006《渠系工程抗冻胀设计规范》冻胀量的计算成果,建立基于弹性地基梁理论的梯形渠道混凝土衬砌冻胀力学模型,其合理性通过与甘肃省靖会总干渠梯形渠道的前人试验和数值模拟结果进行比较验证。结果表明,该文模型计算的冻胀量和冻胀反力的分布规律与前人的试验和数值模拟基本吻合;计算的冻胀量和试验结果整体相对平均误差为4.72%,计算结果合理。该文模型与现行规范推荐的冻胀量计算成果有机衔接,可为寒区渠道抗冻胀设计提供参考。     

三板拼接式小型U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型

研究土体冻胀对渠道混凝土衬砌结构的影响,对于保障季节性冻土地区渠道输水效率具有重要意义。以三板拼接式小型U形渠道混凝土衬砌结构为对象,研究其在冻胀作用下的受力状态。依据叠加原理将冻胀视为重力、切向冻结力、法向冻结力及法向冻胀力的共同作用,利用结构整体及局部的平衡关系,根据渠道的结构型式、破坏特征及原型观测结果,建立了衬砌结构的冻胀破坏力学模型,给出了便于设计应用的计算公式。对野外观测中的某渠道各部位内力计算结果表明,三板拼接式小型U形渠道混凝土衬砌结构以压弯为主,与实际破坏特征相吻合。刚性接缝处承受较大的轴力和剪力,是结构受力的薄弱位置。为减轻冻胀破坏程度,进一步建议衬砌板直线段倾角α在[22,26]度间取值,坡板弧段圆心角θ略大于U形渠底圆心半角,法向冻结力的合力作用点为从渠顶沿直线段向下2/3处。研究结果可以为季冻区三拼式小型U形混凝土衬砌渠道的设计提供参考依据。     

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渠道基土不均匀冻胀对梯形渠道混凝土衬砌冻胀的影响作用，该研究在前期提出的弹性地基梁模型基础上，将基土不均匀冻胀对边坡衬砌板的作用等效为作用在衬砌板上的荷载，给出在边坡衬砌板在基土发生不均匀冻胀的情况下其冻胀量，冻胀反力，弯矩和剪力的计算方法。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1 m，冻胀反力最大值增大142%，弯矩最大值平均增大223%。同时，弯矩最大值点会从原来的距坡脚1/3左右处向坡脚偏移。因此，在寒区的高水位地区进行渠道设计的过程中，建议尽可能设计为宽浅式横断面，以减少由地下水引起的基土不均匀冻胀对渠道衬砌板的影响。同时，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。     

旱寒区输水渠道防渗抗冻胀研究进展与前沿

渠道在农业灌溉和长距离调水工程中作为首选输水形式发挥着重要的作用。但因旱寒区输水渠道渗漏与冻胀互为因果形成恶性循环，导致渠道渗漏、冻胀、隆起、架空、失稳滑塌等冻融老化破坏普遍且严重，直接影响工程输水效率及渠道的安全运行与效益发挥。该研究着重从探究渠道冻融破坏机理而进行的室内试验和现场原型监测、工程力学模型、水-热-力耦合数值模型及防渗抗冻胀技术等方面论述了旱寒区输水渠道防渗抗冻胀的研究进展；在此基础上，指出了太阳辐射、冻融、盐渍化等复杂环境及冬季输水、水位骤降等运行工况下的渠道多场耦合破坏机理及相应的多场耦合数值模型、衬砌-冻土相互作用模型、失效准则与设计方法、防渗抗冻胀措施标准化及渠道灾变过程与防控技术等渠道防渗抗冻胀有待研究的问题和难点；探讨了完善和提升旱寒区渠道防渗抗冻胀的设计理论与方法、建立全生命周期内的灾变链动态演变预警模型等未来发展方向及趋势，为旱寒区输水渠道工程科学设计与安全高效运行提供指导。     

考虑地下水位影响的现浇混凝土梯形渠道冻胀破坏力学分析

地下水的补给与迁移是高地下水位渠道的冻胀破坏的主要影响因素。该文提出了一种考虑地下水位影响的梯形渠道衬砌冻胀力分布计算方法,推导出地下水位影响的渠道基土冻胀强度和冻结深度分布的计算公式,并得到现浇混凝土衬砌的截面最大弯矩和最易破坏截面位置的解析表达式。从整体与局部2个方面定量分析梯形渠道衬砌冻胀力分布的不均匀性,为渠道的抗冻性能评价和断面优化提供了定量指标,结果表明:渠深越浅,坡板倾角越小,冻胀力分布越均匀,越不易发生破坏,揭示了宽浅式梯形渠道抗冻性能良好的原因。以塔里木灌区某梯形渠道为原型,对不同地下水埋深的渠道冻胀特征和受力进行了分析,并与观测资料进行了对比,其中基土冻深的计算值与观测值之间的最大相对误差为3.5%,估算最大弯矩所在截面的位置为距离坡顶63.9%坡板长处,与灌区实地调查结果基本相符,表明了方法的实用性和合理性。最后,对高地下水位梯形渠道的冻害机理进行了分析,该研究可为高地下水位现浇混凝土梯形渠道衬砌的抗冻设计和相关研究提供参考。