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。     

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。     

渠道保温防冻胀中冻土层等效导热系数的计算

针对渠道保温防冻胀设计中计算保温板厚度时关键参数冻土层等效导热系数采用经验法确定、计算误差大等问题,建立了北方寒冷地区粉质黏土的基于分形理论的冻土层等效导热系数λ*的计算公式,利用蛤蟆通灌区试验资料拟合得到系数C的计算公式,并通过内蒙古河套灌区、新疆冲乎尔灌区和黑龙江蛤蟆通灌区渠道保温防冻胀试验资料对建立的冻土层等效导热系数公式进行了验证。结果表明,计算得到的聚苯板厚度与试验观测的最佳厚度基本一致,最大相对误差仅为7.0%,说明其计算精度较高。利用该公式计算得出了粉土及粉质黏土常用冻土层等效导热系数,对于地下水埋深较浅、渠基土冻结期间存在水分迁移、冻胀较为严重的地区,在实际工程应用中可根据设计渠道情况进行选用。     

内蒙古临河地区渠道衬砌工程保温防冻胀试验研究

在我国北方的季节性冻土地区,防渗衬砌渠道的冻胀破坏对输水工程的危害最大.针对内蒙古临河地区南边分干渠冻胀破坏问题,提出了在渠道混凝土衬砌下铺设聚氨酯保温板新材料的措施.通过进行现场保温防冻胀试验,分析了各种保温措施下渠道基土的地温、冻深、含水率和冻胀量等影响冻胀变化因素的规律及其特征,总结了不同方案下的保温防冻胀效果,得出了适合该地区混凝土衬砌渠道中聚氨酯保温材料的防冻胀破坏方案:渠道阳坡上部使用3 cm厚的聚氨酯保温板,阳坡下部使用4 cm厚的聚氨酯保温板,阴坡上部使用4 cm厚的聚氨酯保温板,阴坡下部使用5 cm厚的聚氨酯保温板就可以保证混凝土衬砌体不发生冻胀破坏,同时为后续刚性衬砌渠道中采用聚氨酯保温材料防冻胀提供了技术支持.     

聚氨酯保温板在渠道中的应用与研究

在寒旱地区刚性衬砌防渗渠道由于冬季负温常常遭受不同程度的冻害破坏,严重影响渠道的正常运转及防渗效果。针对内蒙古临河地区混凝土衬砌渠道严重冻胀破坏问题,提出在该地区渠道混凝土衬砌下面铺设不同厚度的聚氨酯保温板来解决此问题,进行了现场试验,并采用有限元分析软件ADINA分析了不同厚度保温板下的冻胀规律。结果表明:该地区阴坡渠道下部采用6 cm厚的聚氨酯保温板可削减冻胀量11.4 cm,冻胀削减率达到81%;阳坡渠道下部采用5 cm厚的聚氨酯保温板可削减冻胀量3.2 cm,冻胀削减率达到68%,有效地阻止冻胀破坏,为后续渠道衬砌施工中聚氨酯保温板厚度设计提供了技术支持。     

东港灌区苯板保温渠道衬砌抗冻胀试验研究

冻胀量的大小直接关系着渠道衬砌工程的安全、稳定运行及输水效率.影响冻胀量大小的重要因素包括渠基土地温及冻深的变化情况.通过2010-2011年和2011-2012年2个冬季的试验观测,获得了有关东港灌区渠道衬砌地温、冻深及冻胀量变化情况的真实数据,并研究了采用不同厚度的苯板保温对渠道衬砌下渠基土的地温、冻深及冻胀量的影响规律,以此选取了适宜东港灌区的苯板保温厚度,为灌区渠道衬砌工程设计提供了参考依据.     

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。     

弧底梯形渠的冻胀试验研究

混凝土衬砌弧底梯形渠道具有较好的抗冻胀性能,在我国北方大、中型防渗衬砌渠道中广泛应用,为了进一步探索衬砌厚度与冻胀变形的规律,在工程现场进行了不同工况的试验,总结了衬砌厚度与冻胀变形的规律,并应用价值工程理论对其技术经济指标进行了分析。     

聚苯乙烯保温板在衬砌渠道防冻胀中的应用研究

根据聚苯乙烯板保温机理、板的铺设、试验观测项目和测点布置,分析了渠道不同坡面、部位和板厚在多个埋深处的地温、冻深、含水量和冻胀量变化规律及其特征;总结了设聚苯乙烯保温板的厚度,相应提高地温、削减冻深和冻胀量的效果。研究成果已在内蒙古大型灌区中大面积推广应用,大大提高了衬砌渠道工程寿命。     

季节性冻土地区渠道防渗防冻胀技术与应用模式

在我国北方季节性冻土地区,混凝土衬砌防渗渠道的冻胀破坏比较广泛,对工程的危害程度最大。在灌区续建配套与节水改造中,目前常用的渠道防冻胀技术措施主要有保温措施、置换措施、隔水排水措施和结构措施等。根据北方16个大中型灌区调查资料,总结了不同条件下渠道防渗防冻胀技术的应用模式,认为在渠道防渗工程冻胀破坏严重的地区,应结合灌区的具体情况,采用防渗防冻胀复合结构形式,才能起到较好的防冻胀效果。     

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。     

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.     

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。     

季节冻土区混凝土渠与玻璃钢渠体防冻效益对比研究

为了研究季节性冻土区不同保温措施下渠道冻胀变化规律,在一个冻融周期内对河套灌区杨家河南边干渠进行现场测试,针对不同保温措施下的冻深与冻胀量进行了分析。结果表明,阳坡与阴坡聚氨酯和聚苯乙烯保温措施条件下6 cm厚的保温效果均优于4 cm厚的保温效果,阳坡4 cm厚的聚氨酯保温效果优于4 cm厚的聚苯乙烯保温效果,而阴坡4 cm厚的聚氨酯保温效果劣于4 cm厚的聚苯乙烯保温效果。从水力条件、节水效益、投资成本等方面对比分析混凝土渠道与玻璃钢渠道的应用性,玻璃钢渠道可减少拆除重建费与保温措施费等费用,且综合投资与混凝土渠道相差不多,随着水资源需求量的急剧增大,玻璃钢渠道具有较好的应用前景。     

新疆布尔津河灌区渠道衬砌防冻胀试验研究

在对北方灌区近年来的渠道衬砌形式及防冻胀应用效果进行调查、分析和总结的基础上,充分借鉴国内外研究成果和经验,选取新疆布尔津县冲乎尔灌区东岸二支渠5+000-5+056 m段作为试验段,设计7种不同的渠道衬砌结构形式,通过3年的试验观测和分析,对不同衬砌形式的防冻胀效果和技术经济指标进行综合分析和比较,选出适合灌区特点、满足渠道安全运行、经济实用、防冻胀效果显著的最优衬砌结构形式。     

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.     

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。     

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。     

楔形垫层衬砌渠道横断面计算

衬砌渠道为防止冻胀因素的破坏,一般都在衬砌体下面铺筑砂砾垫层。实践证明,衬砌渠道的渠底及坡脚附近的冻胀破坏较侧坡上部严重,也就是说,衬砌渠道横断面的下部冻害较上部严重。故在实际施工中采用边坡的垫层厚度与渠底不同,边坡的垫层也是上部薄下部厚,即属楔形垫层。其优点和等厚度垫层相比较工程量小。有些渠道根据其走向及光照条件,又有阴坡和阳坡之分,而阴坡冻害又较阳坡严重,为了减少工程量