敦化灌区渠道防渗工程冻胀破坏分析与防治

太原市敦化灌区始建于1964年,地处山西中部汾河与潇河交叉口南端,属冲积平原型灌区。现拥有主要干、支渠道51.76 km,可灌溉农田6 973.33 hm~2。多年来,干、支渠道均为土体结构,输水渗漏损失严重,渠系水利用系数约为0.45。为减少输水渗漏损失,1996年对部分渠道进行了防渗工程处理。在防渗渠道运行过程中,又出现了裂缝、空鼓、错位滑落等冻胀破坏情况。在分析渠道防渗工程冻胀破坏原因的基础上,提出了系统的防治措施。     

灌淤冻土复合衬砌渠道保温防冻胀效果分析

为解决河套灌区渠道混凝土衬砌冻胀破坏问题,该研究提出由聚氨酯和聚苯乙烯2种材料组成的复合衬砌结构,建立渠道基土水热力耦合数值模型,通过现场试验和数值模拟方法分析不同衬砌结构下基土地温、含水率、冻胀量及等效应力变化。结果表明：与无保温衬砌结构相比,阴坡聚苯乙烯复合衬砌结构和聚氨酯复合衬砌结构下基土最低地温分别提高67.1%和64.7%,最大迁移含水率分别减少8%和9%,最大冻胀量分别减少80%和81%,基土内等效应力明显减小。这2种复合衬砌结构具有保温效果好、冻胀变形小等优点,可作为寒区渠道保温防冻胀衬砌结构的选择。同时数值模型计算结果与试验值基本吻合,说明此数值模型可合理地描述渠道基土冻结过程中地温和冻胀量变化。研究可为寒区渠道防冻胀衬砌结构设计提供理论依据和参考。     

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。     

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。     

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。     

关于文峪河灌区节水灌溉的思考

文峪河灌区地处山西中部，设计灌溉面积3．42万hm^2，受益区包括吕梁、晋中两市的6个县，是山西省的六大自流灌区之一。目前灌区存在的主要问题是输水渗漏严重、工程老化失修、粗放型的大水漫灌和地下水资源缺乏统一有效管理。应采取的主要措施：取消沿途高灌，将河道输水改为防渗渠道输水；大力推广应用小畦灌、沟灌等节水灌溉新技术；加强节水灌溉管理，实行计量供水和灌区水资源统一管理。     

寒冷地区混凝土防渗渠道的冻胀问题及施工防治措施

在寒冷地区混凝土防渗渠道中,冻胀是较常见的破坏形式。因此,在寒冷地区修长混凝土防渗渠道时,必须对冻胀机理及冻胀破坏形式进行深入分析,并找到相应的解决对策,以提高混凝土渠道的使用寿命。结合新疆沙弯县的渠道改造工程实例,对混凝土防渗渠道的施工防冻胀措施进行探讨。     

浅析衬砌渠道的抗冻胀措施

渠道衬砌工程施工中,渠道的防渗衬砌是检验渠道是否经济合理与可以正常使用的一个标准。在当前的施工设计中,经常会因为工程进度或者其他原因而忽略了衬砌渠道的冻胀这个关键因素,尤其是在很多季节,冻土地区会普遍性的出现渠道衬砌的冻胀损坏现象,且造成的损坏十分严重。因此,分析渠道衬砌冻胀破坏的机理,并结合相关抑制措施思路,探讨冻结力与冻胀力的计算方法,针对实际冻胀破坏现象,阐述渠道衬砌体冻胀问题及相关措施。     

北方灌区混凝土衬砌渠道断面优化及参数分析

人工明渠是中国北方灌区采用的主要输水方式。合理的渠道断面参数计算是水利计算中的重要环节。因此,合理的模型与较高精度的计算方法是求解渠道断面的关键。然而传统灌区混凝土衬砌渠道断面优化设计仅从最优水力断面角度出发,考虑单一水力要素,而忽视了渠道冻胀安全以及工程造价的问题。该文建立了以最优水力断面、工程造价最小为目标,满足混凝土衬砌渠道冻胀要求的数学模型。根据模型非线性的特点,利用自适应粒子群优化算法,对混凝土衬砌渠道梯形断面结构进行优化,选用自适应粒子群算法可以很好地克服算法陷入局部最优解的问题。建立的模型将混凝土衬砌量与工程占地最小作为目标函数优化。优化结果在最佳水力断面基础上,满足边坡稳定与工程量最小。最后将模型应用于黑龙江依兰县倭肯河灌区学兴干渠,分析了渠道边坡系数、渠底宽和渠道水深对目标函数的影响规律。优化结果表明,模型计算所得渠道工程占地减小1.5%,混凝土衬砌量减小1.8%。各个参数中,边坡系数对目标函数影响较大。混凝土衬砌厚度由土壤性质、冻结力大小所决定。该研究成果为提高寒区混凝土防渗渠道优化设计水平及灌区运行效益提供了理论依据。     

防渗膜在大堵麻灌区渡槽防渗加固中的应用

农田水利工程建设需要考虑防渗漏、防冻胀、防冲刷等关键因素。在甘肃省民乐县大堵麻大型灌区续建配套与节水改造中,通过防渗方案优选,在新丰干渠输水渡槽内壁铺设SCLW35054防渗膜进行防渗处理,成本低、易操作、工期短、效果好和寿命长。介绍了防渗膜在渡槽防渗及施工中的优越性和主要施工方法、流程及要点,并进行了必要的效益评价。     

多种渠道防渗抗冻胀技术在辽宁灌区的推广与应用

随着近年来灌区改造工程的不断建设,辽宁省内灌区渠道衬砌结构形式也在逐渐地多样化,采用的衬砌材料也在与时俱进。基于此,总结了几种适用于北方寒区的渠道防渗抗冻胀技术,选取了辽宁省内4处灌区进行推广与应用,并取得了良好的应用效果。推广同时,也加大了渠道防渗抗冻胀技术在辽宁省内的宣传与培训,对于促进灌区水利现代化建设和可持续发展起到了积极的推动作用。     

不同地下水位下渠基冻胀规律与保温板适宜厚度确定

为探明河套灌区不同地下水位条件下渠基冻胀的差异,了解地下水位变化对渠基土壤水分迁移和力学性能的影响,该文通过建立不同地下水位冻胀试验平台并结合原型渠道,分析了不同地下水位对铺设不同厚度聚苯板的基土冻胀的影响,阐述了冻胀率和截面弯矩沿渠坡的分布规律,提出了不同地下水位下聚苯板适宜铺设厚度的理论计算公式。试验得出,每降低1 cm地下水位,基土冻胀量减小0.15 cm。当地下水位降低0.5~1.0 m后,削减冻胀率为71%~83.8%。地下水位下降有效阻止或延缓了土壤毛细水的上升,降低了0~30 cm土层的土壤水分,有效阻止了冻结锋面水分的迁移,减小了土体中冰夹层的形成,从而降低了土体的冻胀变形。并且,渠道的冻胀破坏部位随着地下水位的不同而发生变化。该研究可为北方季节性冻土区骨干渠道保温防冻胀技术研究提供科学依据和技术支撑。     

区分工程状况与管理水平影响的渠系水利用效率指标体系的构建

为分析评价灌区工程状况、管理水平等不同因素对渠系水利用效率的影响,该文对传统渠系水利用效率指标体系作了修正,提出由渠道输水效率、渠系输水效率、渠系配水效率、渠系水利用效率组成的灌区渠系水利用效率指标体系,并分别给出了这些指标的定义、内涵及其确定方法,结合实例分析了该指标体系的合理性。渠道输水效率(E_ca)及渠系输水效率（E_c）主要反映灌区渠系工程状况对水利用效率的影响,可由静水法或动水法直接测定某级渠道的渠道输水效率,然后采用各级渠道输水效率连乘的方法确定渠系输水效率;渠系水利用效率(E_cs)综合反映了渠系工程状况和用水管理水平对水利用效率的影响,采用首尾测算法直接得到,也可由灌溉水利用效率除以田间水利用效率间接分析得到;渠系配水效率（E_d）主要反映灌区管理水平对水利用效率的影响,在求得渠系水利用效率和渠系输水效率后,由渠系水利用效率除以渠系输水效率得到。该文所构建的指标体系能满足灌区不同阶段、不同目的开展的渠系水利用效率评价需求,为灌区工程投资分配决策、工程运行状况及用水管理水平评价提供依据。     

联合Winkler-Pasternak模型的冬季输水梯形渠道冻胀力学分析

为克服现有冬季输水梯形渠道冻胀力学模型未充分考虑冻结区与水下非冻结区差异,以及未考虑土体连续性的不足,该研究根据冻土与非冻土剪切刚度的不同,冻结区采用Pasternak双参数弹性地基梁模型,而非冻结区采用Winkler模型,综合Pasternak模型考虑土体连续性及Winkler模型易于求解、所需参数少的优点,提出联合Winkler-Pasternak模型的冬季输水梯形渠道冻胀力学分析方法。以新疆玛纳斯河流域某冬季输水梯形渠道为例,计算渠坡衬砌板法向变形,并将本文模型、Winkler模型、Pasternak模型计算结果与观测值进行了对比分析,最后计算了衬砌板截面弯矩及上表面应力分布。结果表明：衬砌板法向变形可分为冻胀段、沉降段及冻胀-沉降过渡段三个部分,三种模型计算结果均能较好地反映衬砌板法向位移基本变化趋势,且本文模型计算结果与实测值更加接近,表明了模型合理性。衬砌板易开裂位置位于冻土区距离水位线10.0%～23.3%坡板长处,与工程实际相符。本研究可为寒区冬季输水梯形渠道抗冻胀设计提供科学参考与理论依据。     

渠道防渗工程的冻胀破坏及防治措施

渠道防渗是一项重要的节水工程措施，由于冬季严寒，常造成一定的冻胀破坏。防治冻胀破坏，要从渠系规划布置、渠床处理、排水、保温、衬砌的结构型式、衬砌材料、施工质量、管理维修等方面综合考虑，采取针对性的回避冻胀和消减冻胀措施。     

基于弹性薄层接触模型研究衬砌渠道双膜防冻胀布设

渠道衬砌下双膜防渗层可解除渠基土冻结力,释放衬砌结构位移以适应不均匀冻胀,但会影响衬砌结构的刚度与稳定性。为研究最佳双膜防渗层布设形式及其适应性,考虑双膜防渗层接触本构及衬砌结构与渠基土的相互作用,依据基土水热力三场耦合理论建立了寒区衬砌渠道的冻胀模型,通过数值模拟仿真分析了不同断面及不同双膜防渗层布设形式的弧底梯形渠道衬砌的冻胀受力与变位。结果表明:宽浅断面渠道采用双膜衬砌结构时,膜间摩擦力过小造成刚度和稳定性严重降低以及衬砌拉应力增加。适当的膜间摩擦力可以解除部分冻结约束,调整局部不均匀冻胀,而且发挥弧底反拱作用不产生拉应力。采用PE膜与无纺布作为层间接触的双膜衬砌结构,冻胀位移方差减小25%,同时整体位移增加不超过0.2 cm,削减冻胀应力50%以上。在不显著降低结构整体稳定性前提下,其整体刚度和结构强度提高程度最大,故同时适用于窄深渠道和宽浅渠道。研究为寒区衬砌渠道中双膜防渗层的合理布设提供科学依据。     

季节冻土区刚柔混合衬砌梯形渠道冻胀机理试验

输水渠道冻胀破坏是寒冷地区渠道破坏的主要表现。为了探明刚柔混合衬砌渠道的冻胀机理,分析复合衬砌渠道的冻胀变形规律和冻胀过程中的水分变化规律,以及柔性复合土工膜的变形特征,该研究借助季节冻融条件下刚柔混合衬砌梯形渠道的原型观测成果,分析了刚柔混合衬砌渠道的最低地温变化规律、冻深变化规律和冻胀量与冻胀力的变化规律,重点研究了冻融条件下渠基土壤的水分迁移规律,以及复合土工膜的变形特征和强度变化。结果显示:刚柔混合衬砌渠道的冻胀变形最大值位于渠底和阴坡1/3处,最大冻胀量为11.2和13.1 cm,衬砌结构向上隆起。冻结期,渠基土壤0~60 cm深度范围内含水率随深度增加而增大,60~120 cm深度范围内的含水率随深度增大而逐渐减小。水分迁移最大值发生在渠道底部,迁移率为13.2%。经过一个冻融周期的循环,复合土工膜的强度和变形量仍然保持在90%以上,强度和变形损失值较小,可充分发挥复合土工膜防渗抗冻胀和适应变形的特性。该研究为刚柔混合衬砌渠道的设计、推广应用提供了理论依据。     

灌区高含沙输水渠道淤积成因分析

渠道淤积是影响灌区高含沙输水渠道正常运行的一个关键问题,以新疆巴音沟河安集海一库引水副渠的淤积计算为例,根据泥沙起动速度与水流速度,推移质输沙率与水流挟沙力等理论计算结果,从不同角度分析了灌区高含沙输水渠道的淤积成因。理论计算结果表明：为了防止高含沙输水渠道的淤积,在渠道设计中不能只考虑水流速度大于起动速度;对于底坡沿程分段变化的高含沙输水渠道,设计应按最小坡度渠段校核其输沙能力,以保证渠道全程不发生淤积。为验证上述理论计算的准确性,开展了原型观测试验,结果表明：理论计算结果和实测结果符合较好,渠道淤积理论计算过程是合理和可靠的,可以为工程设计和管理单位提供重要参考。     

汾河灌区建设与管理的若干思考

汾河灌区位于山西中部的太原盆地,跨太原、晋中、吕梁3市的12个县,总土地面积13.70万hm2,其中耕地面积10.46万hm2,设计灌溉面积9.97万hm2,是全省最大的自流灌区之一。目前存在工程老化失修、工程管理维护不到位、穿越市区的开发渠段影响正常输水等问题。针对存在的问题,提出了要高度重视灌区基础设施建设、落实好＂从土地出让收益中提取10%用于农田水利建设＂的政策、有计划地对灌区工程实施改造、进一步加强渠道日常管理等对策建议。     

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。