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。     

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.     

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.     

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.     

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。     

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。     

扬黄渠道冻胀破坏的原因及预防措施研究

为解决固海扬黄灌区深挖方高地下水位渠道基土的冻胀融沉,导致混凝土板隆起滑塌等破坏问题。从渠道混凝土衬砌板破坏的实际情况出发,分析渠道衬砌混凝土板破坏的主要原因是渠道基土含水量过大,造成混凝土板的冻胀破坏;降低和排除基土中的含水量是解决和预防渠道冻胀破坏的主要措施。采用毛细透排水带与排水管相结合方式排除基土中的地下水,降低渠堤土体中的含水量,解决渠道混凝土板冻胀破坏问题。结果表明：采用毛细透排水带与排水暗管相结合的排水措施与没有排水措施的渠道段落基土含水量的平均值相对比,含水量在冻结初期、冻结期和春季融化后最大值比较分别降低了21.4%、14.7%和27.9%;渠道阳坡、阴坡和渠底的最大法向冻胀量分别降低了74%、79%和50%。说明采用毛细透排水带和排水暗管相结合的排水方式能有效降低和防止渠道冻胀破坏的发生。     

现浇混凝土衬砌板裂缝的预防和控制措施

我国渠道衬砌多为素混凝土、薄板结构,极易产生裂缝破坏。总结南水北调东线济平干渠工程和其他供水工程经验,通过提高混凝土的抗裂性能、削减或抵抗扬压冻胀等外部荷载、采用机械化浇筑混凝土施工等措施,能有效的预防混凝土衬砌板破坏。济平干渠工程经验表明,膨胀式聚苯乙烯泡沫板(EPS)保温抗冻胀设计不适宜机械化施工,反滤集(排)水垫层既能防扬压、削减冻胀,还能满足机械化衬砌摊铺与振捣的要求。     

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。     

渠道的冻胀破坏与防治

在渠道防渗工程中,混凝土衬砌渠道被广泛采用。但据调查,有50％以上的混凝土防渗渠道都遭到不同程度的冻胀破坏,其主要原因是:(1)基土中各种形态水(即渠道渗漏水,地下水和地面水的补给水)的存在,在冻结过程中,形成水分由暖土区向冻结区迁移积聚,使基土中的含水量超过起始冻胀含水量。(2)基土属于冻胀类土。(3)在负温作用下,土体孔隙中水分冻结,土体体积膨胀即冻胀力产生。随着土体中水分的增加而冻胀力不断增大。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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.     

梯形渠道砼衬砌冻胀破坏力学分析

通过对砼衬砌梯形渠道的冻胀破坏特征和机理的探讨,对渠道衬砌结构及其所受荷载进行简化,并分析其受力情况.认为梯形渠道边坡板与底板间由伸缩缝隔开,二者互为约束,但不能互相提供弯矩,将二者间的连结简化为铰结是合理的.指出渠道所受冻胀力和冻结力并不是独立的起作用,二者之间相互影响、相互依赖.针对小尺寸、整体性较好的梯形渠道提出...     

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。     

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.     

宁夏支渠结构现状及衬砌破坏成因

针对宁夏支渠衬砌运行中出现冻胀破坏严重现象，通过对灌区现有支渠的梯形断面、U形断面、弧底梯形断面、弧形坡角梯形断面和梯形混合断面（衬砌板＋砌石护脚）5种衬砌结构型式进行调查，阐述了各种衬砌结构的破坏状况、破坏原因和影响因素，着重从渠道结构、断面型式、流量、走向、挖填方、地下水位、施工工艺等方面进行分析，通过引用大量的调查资料分析说明各种衬砌结构的优缺点，提出结构优化的建议，这将对宁夏支渠的节水改造，防治渠道冻胀破坏，延长渠道使用寿命等方面起到积极的作用。