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.     

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。     

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。     

宁夏灌区西干渠砌护改造方案分析

在西干渠改造中,选择合理的衬砌方案是保证工程安全运行和防洪要求的关键。在防渗方面,通过对渠道防渗标准的方案比选,提出了应采取的合理防渗措施;在防冻胀方面,采取了现浇混凝土圆弧坡脚、聚苯乙烯板保温措施,减轻了渠道的冻胀破坏;在有侧向渗水段落,采取了金属格宾石笼排除渠道基土内水分、消除流沙段边坡滑塌的排水措施。充分考虑了冻胀、边坡滑塌、地下水位高等多种不利因素,通过综合分析进行方案比选,提出因地制宜的砌护方案。同时,对渠道衬砌中的主要技术指标做出了具体要求。     

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.     

考虑土与板间摩擦力的两拼式U形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型

针对宁夏引黄灌区混凝土衬砌渠道冻胀破坏严重的现状,以小U形渠道为研究对象,建立了考虑摩擦力的两拼式U形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型,探讨土工膜混凝土复合衬砌体与渠基土之间的摩擦力对渠道衬砌板内力分布以及渠道抗冻胀的影响,并通过算例进行了对比验证。与刚性混凝土衬砌渠道相比,加入土工膜后,复合衬砌体产生了允许范围内的冻胀位移量,削弱了冻土对衬砌板的切向约束力,改善了衬砌体的受力状态,使冻胀量分布更加均匀,渠道冻胀力、冻结力减小,抗拉强度提高,抗冻胀能力有所增强。     

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。     

渠道防渗保温防冻胀标准化技术模式

渠道冻胀破坏是我国北方季节性冻土地区发展渠道衬砌与防渗工程技术的关键制约因素。本文在分析我国渠道保温防冻胀技术研究及应用的基础上,建立了渠道防渗保温防冻胀标准化结构型式,并确定了其适用条件和范围,总结了确定保温板厚度的经验法和基于热阻等效原理的计算法,提出了保温板铺设的技术要求和质量检验的控制标准,对季节性冻土地区渠道防渗保温防冻胀技术的进一步推广应用具有重要的指导意义。     

内蒙古河套灌区冻融周期内渠道水热耦合数值模拟

为了研究季节性冻土区温度对渠道水分场的影响以及变化规律,在一个冻融周期内对河套灌区南边分渠地温和含水率进行了现场测试,并基于Harlan模型和Darcy定律,建立了二维水热耦合模型,利用有限元软件对渠道的水分场和温度场进行了数值模拟。结果表明,随着渠道边坡表面温度的降低,冻结锋面逐渐向下发展,水分在温度梯度的影响下不断向渠道表面聚集,对渠道衬砌产生冻胀破坏,渠道边坡中下部水分迁移量大,冻胀破坏严重,低温与水分迁移量之间存在时间上的滞后。模拟值与现场测试结果相符,验证了水热耦合数值计算模型的正确性。     

考虑太阳热辐射的混凝土衬砌渠道冻胀数值模拟

针对渠道冻胀数值模拟分析依赖于实测温度而无法直接预测渠道冻胀及设计的缺陷,考虑日照对衬砌渠道冻胀量及冻胀力的影响,根据冻土力学及冻土物理学和热辐射原理,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动态数值模拟,得到了考虑与不考虑太阳热辐射两种情况下渠道温度、应力和变形场的分布规律.对比可知：考虑热辐射的衬砌渠道冻胀规律与实测正弦型温度变化引起的冻胀规律一致,考虑热辐射的渠基温度大于正弦温度变化法计算而得的渠基温度值,特别是渠道阴坡,考虑热辐射计算的冻胀力、冻胀量均小于正弦型温度变化法计算所得.     

高寒地区灌溉渠系的防冻胀设计

西藏那曲地区气候高寒,渠道冻胀破坏严重。通过才曲塘人工草场灌溉渠系的修建,分析了引起该区渠道冻胀的气候、地质等主要因素,提出了新建渠道时规划和设计方面的防冻胀措施。规划中要依据地质条件选择透水性较强的砂砾石地段,依据地下水条件选择地下水位埋藏较深的地段,依据地形地貌条件选择地形较高的脊梁地带或尽量采用填方渠道规划渠系。设计中对于挖方渠道,采用适变断面、换填、设置排水、保温和架空衬砌等措施,以适应和回避冻胀;对于填方渠道,采用架空渠槽或道渣石垫层明设的措施,以消减或消除冻胀。这些措施对高寒高海拔地区渠道建设具有一定的指导意义。     

不同U型结构混凝土渠道冻胀数值模拟分析

为了探明U型混凝土渠道倾角和厚度对其抗冻胀效果的影响,以衬砌板为研究对象,对不同倾角、不同厚度的衬砌进行了数值模拟。结果表明,随倾角或厚度的增大,衬砌的冻胀不均匀性减小,冻胀变位和高峰应力也相应减小。厚度为10、8、6、4cm的同一倾角U型衬砌板,衬砌圆弧段冻胀变位幅度较小,几乎不随厚度的变化而变化;各厚度的衬砌,0°~8°倾角范围内,衬砌的冻胀不均匀性的变化梯度较大,倾角的增大对其冻胀不均匀性影响显著;22°~34°倾角范围内,倾角的增大对其抵抗冻胀效果影响不明显;8°~22°倾角范围内,倾角的增大对其冻胀不均匀性影响适中,以15°~22°为宜。     

基于陶粒纤维混凝土的衬砌渠道抗冻胀性能研究

为改善北方寒区预制混凝土衬砌渠道存在衬砌板件自重大、尺寸小、装配效率低等问题,探讨将陶粒纤维混凝土用于衬砌渠道。基于正交试验法开展9组陶粒纤维混凝土和1组C35普通混凝土冻融前后力学性能试验,并结合冻胀数值模拟分析衬砌渠道抗冻胀性能变化。结果表明：陶粒纤维混凝土抗压强度因素影响次序为页岩陶粒体积取代率>聚丙烯纤维（PP）掺量>陶粒预湿时间,抗拉强度因素影响次序为PP掺量>页岩陶粒体积取代率>陶粒预湿时间,冻融后陶粒纤维混凝土抗压、抗拉强度损失率低于普通混凝土;衬砌渠道数值模拟的抗冻胀性能变化与材料性能变化趋势一致,陶粒纤维混凝土衬砌渠道抗冻胀性能损失小于普通混凝土衬砌渠道,最优抗冻胀性能损失减小4.68%,同时衬砌板重量减小18.47%;陶粒纤维混凝土作为渠道衬砌材料具有明显质轻的装配化优势。     

考虑衬砌板跨度影响的U型渠道热-力耦合研究

为了研究混凝土衬砌板纵向跨度对冻胀效应的影响,基于整体式小型U型渠道的结构特点和冻胀特征,视衬砌板和受冻基土为平面应变和三维实体结构,采用热-力耦合分析方法,分析研究了整体式小型U型渠道在冻胀作用下的效应。结果表明:1按三维实体分析的位移略小于按平面问题分析;2板与板刚性接缝处产生较大的不均匀纵向位移,是渠道受冻胀作用的薄弱位置;3板跨度越大,其纵、横向水平位移及竖向位移均略有增大。     

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。     

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。     

混凝土衬砌渠道置换防冻胀标准化技术模式

冻胀破坏是制约季节性冻土地区渠道衬砌与防渗工程建设的关键因素,采用非冻胀性材料置换渠道冻胀性土壤是有效防止渠道冻胀破坏的措施之一。针对北方寒冷地区渠道冻胀破坏的特点及置换防冻胀技术应用中存在的问题,提出了混凝土衬砌渠道置换防冻胀标准化结构形式,明确了其适用条件和范围,确定了置换层施工的技术要求,并基于热阻等效原理建立了置换层厚度的计算公式,根据工程实例数据确定了计算修正系数,并利用新疆冲乎尔灌区渠道置换防冻胀试验进行了验证,最终的置换层厚度计算值与最佳设计值之间最大误差仅为4.3%,表明该计算公式有较高精确度,对渠道置换防冻胀工程的设计建设可起到一定参考作用。     

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。     

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.