寒旱区梯形渠道衬砌冻胀破坏数值模拟

针对刚性衬砌渠道冻胀破坏问题,选取宁夏盐环定扬黄灌区衬砌渠道为研究对象,在考虑相变及水分迁移模型基础上,考虑高地下水位对冻胀的影响,建立考虑水分迁移及地下水影响的数学物理模型,并采用Comsol Mutiphysics有限元软件对梯形渠道混凝土衬砌进行冻胀数值模拟,分别从温度场、位移场和应力场对刚性衬砌渠道冻胀破坏等方面进行了研究分析。结果表明:阴坡、阳坡冻胀量较大,渠底较小,渠底中部、渠坡1/3坡板长度处冻胀量分别达到最大值。渠底中部的法向冻胀力较小,两边逐渐增大,阴坡、阳坡的法向冻胀力分布均匀;渠底的切向冻结力成线性分布。阴坡、阳坡靠近坡脚处切向冻结力较大,左、右两端坡顶处切向冻结力较小,渠底衬砌板和两侧衬砌板属于压弯组合变形构件。     

考虑接触行为的U型渠道冻胀数值模拟

U型衬砌渠道具有良好的整体性和冻胀适应性,但在冬季仍极易因土体冻胀而导致破坏。考虑渠基冻土与衬砌接触面冻结的非线性特性和冻土、混凝土材料的塑性特征,建立能分析渠道基土与衬砌间挤压、脱开及滑移等接触力学行为的渠道冻胀破坏热力耦合数值模型。以宝鸡峡灌区塬下北干渠为原型渠道,按照模型是否考虑接触分别进行冻胀数值模拟,并对模拟结果进行对比分析。结果表明:考虑接触的模型模拟结果与原型实测值更相符,更能合理地解释U型渠道冻胀在渠底与阴坡衔接处冻胀量最小;考虑接触的混凝土塑性应变最大值是不考虑接触时的3.76倍;考虑接触的法向冻胀力和切向冻结力更均匀,最大值均减少1.5~3.0倍,应力集中现象减弱,更能反映混凝土衬砌板与渠基土之间的滑移变形与破坏准则的相互作用。研究结果为U型衬砌渠道冻胀破坏规律提供了分析方法。     

考虑混凝土衬砌板与冻土接触非线性的渠道冻胀数值模拟

旱寒灌区渠基土中水分在温度梯度作用下向冻结锋面迁移聚集并冻结膨胀,使其上混凝土衬砌板冻胀破坏,以往的线弹性分析方法在数值模拟中将冻土与混凝土衬砌板视为一体,无法反映两者之间的滑移。本文采用符合冻土与混凝土接触面冻结特性的非线性本构模型来合理反映两者的相对滑动及脱离,考虑混凝土的弹塑性及其与冻土的接触非线性,建立能反映混凝土板从弹性到塑性屈服失效过程的渠道冻胀破坏数值模型,并对冻胀过程进行分析。结果表明,未考虑接触非线性的切向冻结力会超过混凝土与冻土最大冻结强度,不符实际;而考虑接触非线性的数值模型更能反映衬砌渠道冻胀破坏过程,更能合理解释渠道冻胀破坏位置在渠底中间和阴阳坡靠近渠底1/3板长处,切向冻结力、法向冻胀力最大值较未考虑接触非线性的要小约50%且分布更均匀。     

不同纵缝对混凝土衬砌渠道冻胀影响的模拟研究

在我国冻土地区,混凝土衬砌渠道冻胀破坏损害严重影响渠道稳定性,造成水资源浪费,缩短渠道的使用寿命,制约工程效益的发挥。本文对影响渠道冻胀的因素进行了分析,采用有限元软件ADINA,对不同设缝的混凝土衬砌渠道进行冻胀过程的数值模拟研究,并对应力场、变形场进行分析,进而探究衬砌板的冻胀变形及冻胀力分布,为工程实际应用提供参考。     

纵缝深度对渠道冻胀量影响的数值模拟研究

为研究深度不同的纵缝设置在渠道不同部位处后对冻胀量的影响,利用有限元分析软件AN SYS对陕西塬下北干渠的"U"型刚性衬砌渠道在阴、阳、底位置段处设置通缝、半缝或不设缝进行渠道温度场、位移场的数值模拟。经模拟计算后得出不同深度的纵缝对渠底冻胀量的影响不大,对阴、阳坡段会有一定影响。经综合分析比较,对于"U"型刚性衬砌渠,在渠道阴坡段处设半缝,阳坡段处设通缝,渠底不设缝的工程措施其抗冻胀性能效果最好,为渠道防冻胀设计提供参考和依据。     

考虑冻结力分布特征的两拼式渠道冻胀力学模型

确定混凝土衬砌渠道土与板间冻结力分布形式,建立冻胀力学模型,是定量研究渠道冻胀破坏的关键环节。通过对渠道冻胀机理、破坏特征和抗拉冻结强度影响因素的分析,结合宁夏引黄灌区混凝土衬砌渠道原位监测试验数据特点,将渠基土与衬砌板间的法向冻结力假设为由渠道顶部至渠底呈三角形分布的荷载,同时对任意截面切向冻结力进行分段求解,建立了两拼式U形混凝土衬砌渠道的冻胀破坏力学模型。结果表明:建立的两拼式U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型不仅能计算出弧板内力、最大弯矩作用点,而且可以计算出渠道所受最大法向冻胀力和最大法向冻结力;对比原位监测值以及已有力学模型计算值发现,根据假设的法向、切向冻结力分布所建立的力学模型计算弧板内力值更小,法向冻胀力、最大弯矩对应截面与原位监测数据更吻合。     

渠道衬砌冻胀破坏性裂缝处理技术

赵口引黄灌区二期工程项目区遭遇三十年一遇极端寒潮,局部已完工渠道衬砌在温度骤降及连续低温作用下,混凝土衬砌板受基土冻胀力及温度应力而产生的拉应力超过混凝土原设计抗拉强度,最终在此拉力的作用下形成冻胀裂缝.根据裂缝成因,通过采取对渠道衬砌原横、纵伸缩缝间距相应调整,且对衬砌板坡脚增设诱导缝从而对冻胀破坏性裂缝进行预防.同时根据已产生冻胀破坏性裂缝的缝宽进行分级,并采用相应技术进行处理.最终,在采用聚氨酯、聚脲材料对冻胀破坏性裂缝进行缺陷处理后,虽对渠道工程局部外观有一定影响,但对混凝土衬砌面板的强度、抗冻性、抗渗性等耐久性能基本无影响;对渠道的糙率基本无影响,不影响渠道输水能力.     

基于ANSYS的混凝土衬砌渠道冻胀破坏有限元分析

我国农业用水量巨大,但是用水效率低,浪费现象严重,因此研究节水措施具有重要意义。混凝土衬砌输水渠道是我国农业灌渠的主要形式。我国国土面积的54%位于季冻区,混凝土衬砌输水渠道在冬季发生冻胀破坏,会严重影响防渗效果。从国内外研究现状出发,分析了混凝土衬砌渠道冻胀破坏机理及影响因素。研究表明,基土、温度场、湿度场、渠道走向均会影响冻胀破坏程度。     

U形渠道冻胀监测试验研究

从我国北方季节性冻土灌区整体式U型渠道混凝土衬砌结构饱受冻胀破坏实际出发,进行整体式U型混凝土渠道衬砌结构冻胀观测试验。结果表明:试验区域渠基土低温期和冻胀量峰值期为11月中旬～次年1月底,渠基土地温最小值和冻胀量最大值均出现在这一期间,而且渠基土地温与冻胀量之间存在密切联系,随着地温降低,渠基土冻胀量升高,渠基土地温降低对阴坡弧段渠基土冻胀量影响最大,对阳坡弧段影响次之,对阳坡直段影响最小。研究结果可为渠道防渗抗冻措施的运用提供理论依据。     

混凝土渠道衬砌冻害机理及措施分析

新疆气候寒冷,许多混凝土水工建筑物因冻胀破坏而影响正常运用,深入研究冻害产生的客观规律,采用经济合理的抗冻措施,成为水利建设的一项迫切任务。通过对混凝土防渗渠道冻害机理和破坏型式的分析,论述了基土冻胀对混凝土渠道的危害与特点,以及根据具体情况如何选择抗冻措施,为严寒地区混凝土衬砌渠道防冻胀提供参考。     

基于双K断裂准则的U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型研究

为探讨U形渠道衬砌的冻胀断裂力学模型,采用有限元软件简化模拟混凝土衬砌板初始裂缝扩展,并结合线弹性断裂力学的双应力强度因子的混凝土双K断裂破坏准则,建立了冻胀力与冻结力共同作用下的U形渠道混凝土衬砌板冻胀断裂力学模型。根据混凝土双K断裂准则与冻胀条件下的混凝土衬砌力学模型,计算了U形渠道各部位混凝土衬砌板在初始裂缝扩展情况下,混凝土衬砌板冻胀断裂破坏的临界厚度。通过实例计算,验证了此双K断裂准则下的混凝土渠道衬砌冻胀力学模型具有一定的实际应用价值,为以后的U形混凝土衬砌渠道抗冻胀设计提供了合理的理论参考。     

寒区预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型

基于Winkler弹性地基梁理论及有限杆单元的思想,以单块预制板为研究对象构建其挠曲线微分方程并求解;在此基础上,考虑冻土-结构接触界面及预制板间填缝处的协调变形与相互作用,引入端部边界条件及板间连续性条件,同时砂浆填缝处弯矩为零,将多块预制板联系起来,构建预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型。再由切向静力平衡条件导出切向控制方程并求解,最终获得衬砌板各截面法向冻胀位移与切向位移的解析表达式。以新疆北部某梯形渠道为例,对衬砌各截面法向冻胀位移、切向位移、接触面法向应力、切向冻结力及上表面应力进行计算。结果表明：本文模型计算的法向冻胀位移与观测值符合良好,与弹性支承法、杆系有限元法计算结果相比更接近观测值。上表面应力估算的易开裂范围与实地调查结果基本相符,表明了模型的合理性。由于存在不连续断面即砂浆填缝,衬砌板法向冻胀位移、接触面法向应力、截面弯矩和上表面应力均存在一定的起伏,出现正负交替现象。顶推力作用下坡板各截面均存在切向位移,且自坡脚向坡顶非线性减小,在坡顶达到最小值。     

大U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的力学模型探讨

通过对U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏机理的分析,提出了U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏的力学模型,并解出了渠坡直线段和圆弧段控制内力及最大拉应力,结合混凝土板抗裂条件给出了冻胀力、胀裂部位、冻胀抗裂衬砌板厚度及抗冻胀破坏验算的一系列计算方法.     

寒区弧底梯形衬砌渠道冻胀破坏的尺寸效应研究

为探明地下水埋深、冻深及渠深对冻土地基上弧底梯形衬砌渠道冻胀破坏的影响规律,依据毛细理论将渠道冻胀分为封闭系统、半开放系统和开放系统;基于冻土水热力三场耦合理论,利用多场耦合软件COMSOL Multiphysics模拟研究了30组不同尺寸衬砌渠道的冻胀位移场和应力场。结果表明:规范建议的衬砌厚度内,渠道规模越大越窄深、冻深越大、地下水埋深越浅,则衬砌渠道冻胀破坏越严重。封闭系统,中小型衬砌渠道为渠底中心下表面拉裂,大型渠道为渠底中心下表面和距渠顶2/3坡长处上表面拉裂;半开放系统,中小型渠道为渠底中心上表面拉裂,大型渠道为渠底中心上表面和坡脚下表面拉裂;开放系统,小型渠道为渠底中心上表面拉裂,中型渠道为坡脚上表面拉裂,大型渠道为渠底中心下表面和距渠顶2/3坡长处上表面拉裂。该研究揭示了渠道衬砌冻胀破坏的尺寸效应,对弧底梯形衬砌渠道抗冻胀设计及衬砌结构合理设缝具有指导意义和定量化参考。     

大型弧底梯形渠道“适缝”防冻胀机理及应用研究

旱寒区渠道工程上预先在衬砌板易产生裂缝处顺其自然设置纵缝,以防止冻胀破坏。为探明这种纵缝设置的防冻胀机理及其最佳布设形式,基于冻土水-热-力三场耦合理论,考虑纵缝填充的接触本构及衬砌-冻土相互作用,建立了旱寒区常用的大型窄深式弧底梯形渠道冻胀仿真分析模型,以衬砌板上下表面沿周长正应力分布均匀度为一级指标,以其截面正应力满足强度要求为二级指标,对纵缝设置位置、宽度、个数及其组合削减渠道冻胀效果进行了研究。结果表明:弧底衬砌板属于薄拱结构,渠坡板为梁结构,纵缝为可移动弹性铰;纵缝位置及宽度的变化不断调整拱-梁结构的刚度及弹性铰的约束刚度,以适应基土冻胀变形,使衬砌板表面应力均匀化,从而削减冻胀;但纵缝过宽会过度削弱弧底拱效应,使弧底中心和坡板上表面及坡脚下表面拉应力过大,易导致冻胀破坏;单独设缝时坡脚位置设缝防冻胀效果最好,而组合设缝削减冻胀效果更优,尤其是坡脚与坡板组合设缝。以新疆某供水渠道为例,采用坡脚与坡板1/4、3/4处组合设缝,缝宽取1 cm,可满足两级指标,削减冻胀效果最优,可为旱寒区大型渠道防冻胀合理布设纵缝(适缝)提供科学依据。     

寒区河湖与灌排渠道模袋混凝土护岸冻胀破坏机理

我国北方寒区河湖与灌排渠道护岸冻胀破坏普遍严重.卵砾石护底模袋混凝土衬砌护岸因施工方便获得广泛应用.但目前针对这种复合衬砌结构的冻胀破坏机理尚不明确,难于规范化设计.本文基于冻土水热力三场耦合理论,考虑衬砌与基土的界面相互作用建立了河渠护岸衬砌冻胀数值分析模型.以宁夏西干渠工程为例,对卵砾石护底的模袋混凝土、卵砾石护底...     

考虑冻土与结构相互作用的梯形渠道冻胀破坏弹性地基梁模型

假定渠基冻土为服从Winkler假设的弹性地基,提出一种针对开放系统混凝土梯形渠道的衬砌冻胀力分布计算方法。基于弹性地基梁理论引入与冻胀变形成比例的附加项来反映衬砌冻胀变形引起的冻胀力释放和削减,导出考虑冻土与衬砌结构耦合作用的冻土地基梁挠曲线微分方程。基于此,对现浇混凝土梯形渠道底板和坡板分别建立冻胀模型,并结合边界条件对方程求解获得渠道底板和坡板挠度和内力的解析表达式,进而建立了基于衬砌冻胀位移计算的渠道衬砌冻胀破坏判断准则。以新疆塔里木灌区某梯形渠道为原型,对衬砌各点冻胀位移进行了计算,并与材料力学方法的计算结果及原型观测值进行了对比分析。结果表明,本文方法由于考虑了衬砌冻胀变形引起的冻胀力释放和削减,冻胀位移计算结果均较材料力学方法小,且与观测值更加符合。研究结果可为现浇混凝土梯形渠道的抗冻胀设计提供参考和理论依据。     

冬季输水梯形渠道冻胀时水力因素对刚性衬砌层内力影响研究

对于冬季输水渠道,在其基土冻胀作用时边坡混凝土板力学模型得到实践工程检验的基础之上,又以实际工程渠道为参数,理论分析了在特定冻胀力作用类型及计算方法的条件下,其渠道坡角、水深和边坡混凝土板厚度的变化对边坡混凝土板内力的影响规律。结果表明:冬季输水渠道边坡板在冬季渠基土冻胀的过程中有沿坡面整体上移的趋势;在渠基土边坡整体稳定的前提条件下,增大渠道坡角、减小渠底宽、提高渠内水位可大大减少渠道冻胀作用时边坡板的内力,降低渠道冻胀破坏的机率;通过增加边坡板的厚度来提高渠道抗冻胀破坏能力是不可取的。该成果为季节冻土区冬季无冰盖输水渠道的抗冻胀破坏设计指出了设计新思路。根据设计流量,设计并调整渠道水力参数,尽可能使渠内水深提高,不仅降低渠道冻胀破坏的机率,还可以减少渠道用地面积和土方工程量。     

梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型探讨

通过对梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏特征的分析及总结前人的相关研究成果,提出合理的简化和假设,并在此基础上建立了一种梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型。通过该模型可计算渠道坡板和底板的各控制内力及应力,并估计可能发生胀裂的位置,提出了对渠坡衬砌板所受法向冻结力的计算方法。