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。     

工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系

工程堆积体具有独特的土壤组成及复杂的下垫面条件,其土壤抗冲性极差,径流条件下堆积体陡坡坡面关键的水动力学参数及其相互关系亦表现出不同的特点,为探明工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系,该文采用30、40、50、60 L/min 4个流量,对24°、28°、32°共3个坡度的堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取径流流速、水深、雷诺数、弗汝德数、径流阻力系数、水流剪切应力、径流功率等参数进行分析。结果表明:工程堆积体坡面侵蚀位置主要集中在坡面上部(0~10 m),侵蚀时段主要集中在产流后期(12~30 min);流速随坡度和流量的增大而增大,坡度对流速的影响大于流量;随着坡面流由层流向紊流、急流向缓流的过渡,坡面径流阻力系数随之增大;基于水流剪切应力和径流功率分别计算获得的工程堆积体坡面细沟侵蚀土壤可蚀性参数分别为2.63×10-2 s/m和0.1 s2/m2,对应的临界侵蚀径流功率为0.8 N/(m·s)。研究结果可为坡面措施的配置提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供部分基础参数。     

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。     

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。     

高抗冻混凝土的研究与应用

【目的】研制适用于西北寒冷地区水工高抗冻性混凝土。【方法】配制不同水灰比、外加剂(引气剂,减水剂)掺量和粉煤灰掺量的混凝土,对其进行抗压、抗拉强度和抗冻融试验,分析以上因素对混凝土抗冻性能的影响,以优化水灰比,外加剂和粉煤灰掺量。配制高抗冻混凝土并将其应用于工程实践中,测定其坍落度、含气量、抗压强度和抗冻性,验证该混凝土的实用性。【结果】在水胶比为0.45时,混凝土中加入0.2 g/kg引气剂、5.0 g/kg减水剂和200 g/kg粉煤灰,其28 d抗压强度达到33.8 MPa,抗冻次数300次。经工程实际应用验证,该混凝土实用性满足C30F300高抗冻混凝土要求。【结论】在水胶比为0.45时,向普通混凝土中加入0.2 g/kg引气剂、5.0 g/kg减水剂和200 g/kg粉煤灰,其强度、抗冻耐久性完全能满足高抗冻混凝土要求,适用于西北寒冷地区水电工程建设。     

沥水沟渡槽支撑结构承载力复核

【目的】针对汶川大地震使沥水沟渡槽支撑结构遭受了不同程度的损坏,及其该渡槽已运行30多年存在不同程度老化的现状,对沥水沟渡槽承载力进行复核,为其加固或重建决策提供参考。【方法】利用有限元法对沥水沟渡槽支撑结构进行静力、动力分析,并通过现场检测混凝土强度,依据现行规范计算理论及方法对构件承载力进行复核。【结果】复核结果表明,该渡槽支撑结构在通过设计流量时承载力难以满足安全需要。【结论】为保证沥水沟渡槽安全运行,需对其进行加固或重建。     

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。     

基于双参数弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

为克服已有梯形渠道弹性地基梁模型未考虑土体连续性及需要预先假定切向冻结力分布的不足，该研究在Winkler模型的基础上，用土弹簧的伸缩来描述法向冻胀力与法向冻结力，引入剪切层和接触界面层构建了梯形渠道双参数冻土地基梁模型。通过引入剪切层考虑土弹簧间的相互作用，引入接触界面层把切向冻结力计算纳入模型中一体化求解。以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为例，计算了衬砌板法向冻胀位移，并将计算值与Winkler模型、有限元法计算结果及试验值进行对比分析，最后对衬砌板各点切向位移及切向冻结力分布进行计算。结果表明：本文模型计算值与Winkler模型、有限元法计算结果的总体变化趋势一致，且关键点上与试验值更加符合，当剪切系数g=0时双参数模型则退化为Winkler模型，验证了模型合理性；衬砌板各点切向位移及切向冻结力呈非线性分布，且随切向刚度增大，各点切向位移总体呈减小趋势，与实际相符。本研究可为梯形渠道抗冻胀设计提供参考。     

弧形坡脚梯形渠道砼衬砌冻胀破坏的力学模型研究

【目的】探讨弧形坡脚梯形渠道衬砌结构冻胀破坏的力学模型,以科学指导衬砌体的设计与建设。【方法】通过对弧形坡脚梯形渠道砼衬砌冻胀破坏机理及破坏特征的分析,指出了弧形坡脚梯形渠道砼衬砌整体结构的计算简图,是在法向冻胀力、切向冻结力和重力共同作用下的近似薄壳拱形结构,基于此建立了该砼衬砌整体结构冻胀破坏的力学模型。【结果】求出了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。【结论】弧形坡脚梯形渠道砼衬砌结构较梯形渠道法向冻胀力数值小、分布均匀、恢复力大,整体适应变形及抗冻胀能力强,从而优于梯形断面,为弧形坡脚梯形渠道防冻胀设计提供了科学依据。     

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.