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。     

U型混凝土预制渠道弥散型裂缝数值模拟

为了探明预制U型混凝土渠道衬砌冻胀裂缝规律,以衬砌板为研究对象,通过渠道衬砌冻胀裂缝特征测量试验及弥散型裂缝渠道衬砌模型有限元分析,分析了宁夏地区预制U型混凝土渠道衬砌冻胀裂缝特征及衬砌几何参数对开裂位置及裂缝扩展的影响。结果表明,宁夏地区U型混凝土渠道衬砌冻胀裂缝主要出现在阴坡,开裂特征为横向贯通裂缝;增加预制U型混凝土衬砌倾角与厚度,可提高衬砌板抵抗冻胀裂缝出现及扩展的能力,参数变化与抗冻裂能力提高基本呈线性关系;增加衬砌厚度对于衬砌抵抗冻胀开裂的影响大于衬砌倾角增加的影响。衬砌参数变化可提高U型混凝土衬砌抗冻裂性能,提升衬砌渠道的节水效率。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

U形渠道半圆柱形量水槽的数值模拟

通过室内试验,利用Flow-3D软件,采用True VOF法和RNGk-ε紊流模型对U形D40渠道半圆柱形量水槽进行了三维数值模拟。试验设置了4种不同收缩比(ε=0.27、ε=0.32、ε=0.36、ε=0.52)的半圆柱形量水槽,获得了18种工况下量水槽内的水面线及流量等水力要素,与实测值进行对比分析,得出了水位与流量曲线,并拟合出了其流量公式。结果表明,数值模拟的自由水面线与试验结果基本一致,模拟值与实测值最大相对误差均小于5%。因此,采用数值模拟方法能够有效模拟半圆柱形量水槽的三维水流特性。     

U型渠道板柱复合式流量量测装置水力特性数值模拟

为了发展节水农业、促进灌区高效用水、合理分配水资源,研发了一种携带方便、计量准确、可移动的U型渠道流量量测装置--板柱复合式流量量测装置.基于Flow-3D软件,采用RNG k-ε湍流模型,对板柱复合式流量量测装置水力特性进行了数值计算,并对模拟结果进行试验验证.结果表明:模拟得到的渠道水流横向流速、垂向流速及量测装置旋转角度与流量之间的关系与试验结果一致,且最大相对误差不超过5.4%;渠道自由液面横向流速从中心到近壁面呈现先增大后减小的变化趋势;渠道上游中心断面垂向流速从底部到自由液面呈现增大的变化趋势,而下游中心断面垂向流速却呈现先增大后减小的变化趋势,最大垂向流速位于自由液面以下某一位置;板柱复合式流量量测装置对渠道内水流最大影响范围是距量测装置上游0.35 m到其下游0.94 m之间的流场区域.     

混凝土U型渠道断面选择及施工技术

1 U型渠道断面的选择 　　如何选择U型渠道的设计过水断面，是计划采用U型渠道首先遇到的第一个问题。一般计划采用预制件U型渠道时，知道泵站出水设计流量或灌溉渠设计流量之后，就要选择渠道设计断面。U型渠设计流量公式采用：     

渠道渗漏的数值模拟分析

采用以土壤水势为自变量Richards方程、考虑饱和流与非饱和流的联合求解的渠道渗漏二维数值模拟方法，以山东省位山灌区二干渠碱刘断面为例，模拟了不同运行情况下渠道两侧的地下水土壤水动态变化，通过水量平衡分析、与动水法渗漏量比较、与实测地下水位比较等，验证了数值方法模拟渠道渗漏的可靠性与参数选择的合理性。经     

U形渠道三角剖面堰水力特性的数值模拟

因三角剖面堰多被应用于矩形和梯形渠道,将其用于U形渠道并利用数值模拟方法分析尚未深入。为了探究U形渠道三角剖面堰的适用性以及数值模拟的准确性,利用AUTO CAD和GAMBIT建立U形渠道三角剖面堰物理模型,利用FLUENT6.3软件对其进行模拟计算,用Tecplot软件进行后处理,从而获得不同工况下水位和流速分布情况以及水位流量关系曲线。结果表明,不同工况下流量和水位的模拟值与实际值比较接近,流量的平均相对误差为0.21%,水位的平均相对误差为6.02%,水位流量曲线均符合指数函数关系。因此,U形渠道中三角剖面堰测流准确度较高,具有一定的可靠性和实用性,可以为灌区用水配水提供科学依据,提高水资源科学管理水平。     

基于AKIMA插值法的整体式U形渠道温度场数值模拟

[目的]揭示整体式U形混凝土渠道渠基土温度场的分布和变化特征,为整体式U形混凝土渠道的抗冻胀工程提供理论依据.[方法]依据宁夏青铜峡市邵岗镇沙湖村进行的整体式U形混凝土衬砌渠道的原型观测试验结果,采用AKIMA插值法对各部位渠基土的温度梯度进行了计算,再利用有限元软件ANSYS对渠基土的温度场及温度梯度进行了数值模拟....     

标准U形渠道多孔板式测流的数值模拟研究

为了探索多孔板式测流装置在标准U形渠道中的测流精度及影响因素,利用Fluent数值模拟软件对不同流量下的水流流场进行模拟,可得到各个时段水面线的云图。多孔板式测流装置的每对流道相当于一个毕托管,利用动静压管中水的高差即为流速水头,从而得出流速■。通过观察水面线的变化以及对流速数据的分析,结果发现,数值模拟得到的流速与实际实验得到的流速平均相对误差在5%以内,吻合度很好,符合明渠测流装置测量精度的要求,进一步证明了数值模拟的准确性及可行性。     

混凝土衬砌渠道保温防冻胀技术研究

通过调研我国北方大型灌区渠道保温防冻胀技术应用现状,并进行理论分析,提出了混凝土衬砌渠道保温防冻胀最佳结构型式,并确定了其适用条件和范围。基于热传导理论和热阻等效原理建立了相应的保温板厚度计算公式,利用黑龙江蛤蟆通灌区试验数据确定了冻土等效导热系数计算方法,并对保温板厚度计算公式进行了验证。结果表明,计算值与最佳方案保温板厚度的最大误差为5.62%,说明该计算公式有较高精确度,可以在黑龙江及其相似地区推广应用。     

小型灌排渠道U型槽混凝土性能试验研究

为进一步改善构件外观质量、提高外压荷载,开展了U型槽混凝土相关性能试验研究。试验设计了不同的干硬性混凝土配合比,通过分析干硬性混凝土拌和物性能与U型槽使用性能的相关性,提出合理控制干硬性混凝土VC值和强度的建议,以满足构件生产工艺及使用性能要求;并结合混凝土配合比参数对干硬性混凝土工作性及强度的影响研究,提出基于拌和物性能控制的配合比设计理念,这样既合理控制干硬性混凝土性能,又保障了构件的质量。     

莒县大力发展U形混凝土渠道

山东省莒县过去比较注重发展单一的石砌渠道和预制混凝土渠道。这两种渠道用工用料多,成本高,施工速度慢,在一定程度上限制了防渗渠道的发展。自1990年秋,莒县为了加快防渗渠道的建设,在平原、丘陵等石料比较缺乏的地方,大力发展U形混凝土渠道,目前已建成10km,扩大灌溉面积5000亩。收到了投资少、见效快、节水节地的良好效果。兴建U形渠道时先在地基上打出U形土外模(土外模的内径等于U形渠外径),在土外模铺上一层     

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。