基于渠道混凝土衬砌结构破坏特征分析

薄壳拱形结构的典型结构形式为小型U形两拼式渠道混凝土衬砌结构,文章在详细分析了常见的几种渠道衬砌结构冻胀破坏特征以及机理的基础上确定了两拼式U型渠道在不同方向的力学简图,并结合简图特点构建了力学模型给出了相应的求解方法公式。然后通过探讨混凝土板力学原理和抗裂形式特点给出了冻胀破坏部位、板厚确定方法。研究表明:两拼式U型渠道衬砌结构相对于三拼式U形渠道具有抗冻裂能力强、适应整体变形性能好、恢复力大、分布均匀以及法向冻胀力小等特征,具有更好的适用性与可靠性。     

整体式U形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏力学模型

通过对整体式小型U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏特征及原因分析,将结构简化为在法向冻胀力、法向冻结力、切向冻结力和重力共同作用下的超静定两铰拱,应用结构力学原理求解出衬砌板的冻胀力及内力图,结合混凝土板抗裂条件,给出了最大拉应力、衬砌板厚和抗冻胀破坏验算的公式,并对整体式与两拼式U形衬砌板冻胀效应进行了比对。结果表明,整体式U形混凝土衬砌渠道由于具有冻胀变形均匀、法向冻胀力小、抗冻胀能力强等特点,优于传统的两拼式U形渠道断面。     

半立方抛物线形渠道正常水深的近似计算公式

针对目前半立方抛物线形断面渠道正常水深计算存在的计算过程繁琐复杂、求解成果精度不高等问题,经对正常水深基本计算方程的变形整理,通过引入无量纲水深及特征参数,采用优化拟合的方法,取标准剩余差最小为目标函数,在工程适用参数范围内,经逐次逼近拟合计算,得到了表达形式简单、计算过程简捷、实用范围广、便于工程设计人员实际应用的近似计算公式。误差分析及算例计算表明：拟合公式的最大相对误差仅为0.261%,完全满足实际工程的设计精度要求。该近似计算公式为半立方抛物线形断面渠道正常水深计算提供了更加有效的计算方法,具有应用推广价值。     

标准U形断面渠道临界水深的近似计算

标准U形断面由于其下部是半圆形,临界水深方程是超越方程,无法得到解析解,一般通过图表法、试算法或者迭代法进行近似求解,过程复杂且精度不高。现将标准U形断面采用分段计算方法,下部半圆形圆弧段通过引入无量纲临界水深参数,对临界水深的基本方程进行适当处理,根据优化拟合原理,得到临界水深近似求解公式;上部矩形通过理论推导,得到临界水深解析表达式。误差分析和应用举例表明,公式的相对误差较小,最大相对误差小于0.2%。该公式形式简捷、精度高,可为标准U形断面临界水深求解提供参考。     

再论矩形明渠水力计算的显式计算公式

矩形断面是水利水电工程中较常采用的断面形式之一,但其均匀流基本方程是一元五次方程,无法直接求解。通过选择适当的变量及曲线拟合得到了矩形断面的正常水深和渠道底宽的显式计算公式,克服了图解、试算等方法计算繁琐、依赖图表、误差较大等缺陷。通过公式比较及误差分析表明,该公式形式简洁、准确,在工程常用范围内最大相对误差小于0.087%。     

立方抛物线形渠道水力计算的显式计算式

立方抛物线形渠道正常水深方程是超越方程,通过选择适当的变量及曲线拟合得到了立方抛物线形断面的正常水深的显式公式,可代替图解、试算等方法。该公式形式简洁、准确,特征水深为0.01~2.00 m的最大相对误差约为0.6%。     

半立方抛物线形断面渠道收缩水深迭代算法

半立方抛物线形断面渠道收缩水深的计算较困难,主要是因为需要求解高次隐函数,传统的图解法和试算法计算结果精度较低,且过程复杂,不方便应用到实际工程中。该文通过合理变形处理半立方抛物线形断面渠道收缩水深的基本方程,得到迭代公式,并证明了其收敛性,再通过求解方程获得迭代初值函数,进而得到半立方抛物线形渠道断面的收缩水深公式,经误差分析,在实际工程常用范围内,收缩水深初值最大相对误差小于0.27%,经一次迭代后,收缩水深最大相对误差小于0.06%。实际算例表明,该计算公式形式简单,计算结果精度高,适用范围广。     

窄深式U形渠道正常水深的近似计算公式

运用拟合的方法得到了窄深式U形渠道无量纲正常水深的近似计算公式，此公式具有形式简单、精确度高和使用方便的特点。     

灌区小型U形渠冻胀破坏研究与优化

水利灌渠工程一般规模巨大,其结构受到温度、洪水、地震等因素影响并出现不同程度的损坏。灌渠防渗漏衬砌是有效阻止水分流失的方法,从大量防渗漏工程来看,U形混凝土衬砌性能最佳。其具有水力条件好、占地面积少、抗冻能力强等优点。但是西北地区冬季温度较低,U形混凝土衬砌还是会发生冻胀破坏,严重影响灌渠的使用性能。从国内外研究现状出发,指出渠道冻胀破坏研究存在的问题,并以整体式U形渠道混凝土衬砌结构为研究对象,研究了其冻胀破坏力学模型,并对力学模型进行求解分析。希望为今后整体式形混凝土衬砌渠道在西北地区的推广奠定基础。     

渠道冻胀模拟试验及衬砌结构受力分析

本文介绍了渠道冻胀模型的设计、制作和试验方法 ;提出了模型试验结果能较好地反映原型渠道的冻结、冻胀特征和规律、模型与原型的冻深、冻胀量呈线性相关 :Hp=1 .51 Hm-51 .2 1、hp=2 .0 2 hm- 3.59,冻胀强度与冻前含水量的关系式同《冻规》中的计算式吻合一致 ,采用渠道冻胀模型试验研究方法 ,认识解决渠道冻胀有关问题是可行的 ;并根据冻胀量在渠道断面上的分布情况 ,对衬砌形式进行受力分析得出 :小 U形渠、弧底梯形渠和弧形坡脚梯形渠的衬砌形式较优 ,梯形渠或大 U形渠的衬砌形式容易产生冻胀破坏     

抛物线形渠道正常水深的直接近似计算公式

针对求解抛物线形断面输水渠道的正常水深十分困难这一问题,通过对其均匀流方程进行数学变换,应用拟合方法得到了抛物线形断面正常水深的近似计算公式。该公式形式简捷、结论准确,在工程常用范围内［0.01≤hP≤2.0］最大误差小于0.51％,满足工程精度要求。     

抛物线断面河渠正常水深的近似计算公式

抛物线断面河渠正常水深方程形式复杂,解析解求解困难。通过对抛物线形渠道正常水深方程进行恒等变形,对已知量进行整合,得到快速收敛的无量纲迭代方程式,再用优化拟合分析的方法选取迭代初值,由不动点迭代法提出了无量纲正常水深近似计算公式。误差分析结果表明：抛物线形断面河渠正常水深近似计算公式简单、精确,在工程常用范围内相对误差小于1%,满足工程要求。     

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.     

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。     

三种抛物线形渠道共轭水深的显式计算公式

为了得到半立方、平方、立方抛物线形渠道共轭水深的显式计算公式,对这3种抛物线形渠道的水跃方程进行恒等变形,利用临界水深介于跃前水深和跃后水深之间的性质,得到了无量纲跃前水深x和无量纲跃后水深y之间的关系式,进一步分别得到其迭代公式。在工程常用范围内,利用excel拟合得到其迭代初值,提出了一套抛物线类渠道共轭水深的显式计算公式。最后,实例及误差分析表明半立方、平方、立方抛物线形断面无量纲跃前水深x、无量纲跃后水深y最大相对误差分别为0.25%,-0.23%;0.17%,-0.29%;0.31%,0.39%。公式物理概念清晰,计算简捷,精度高,适用范围广。     

大U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏数值模拟

视冻土为横观各向同性线弹性材料,将渠基冻土和渠道作为一个整体,应用大型有限元通用软件ANSYS,按有限元法大体积超静定结构温度应力计算方法,对大U形混凝土村砌渠道冻胀进行热应力间接耦合数值模拟,计算渠道的温度场、变形场和应力场,分析渠道冻胀受力和变形规律.结果能较好地反映大U形混凝土衬砌渠道的冻胀机理和冻胀温度场、应力场及变形场的基本规律,方法通用且过程简捷,可用于大U形混凝土衬砌渠道抗冻胀设计中.     

悬链线形渠道临界水深的计算方法

根据悬链线形渠道断面几何条件及临界水深基本方程,导出了关于悬链线形渠道临界水深的隐性关系式。通过引入恰当的无量纲量,对悬链线形渠道收缩水深的隐函数方程作数学变换,推导出适用于悬链线形渠道临界水深的迭代公式。利用最优一致逼近原理得到了无量纲公式中两参数的近似计算式,用于迭代公式初值的求解。工程实例表明,该方法不仅具有精度高、适用范围广等特点,且物理概念清晰明确,公式形式简捷、直观,便于应用。     

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。     

U形渠道水力计算的显式计算式

通过选择适当的变量及曲线拟合得到U形断面的正常水深和临界水深的显式公式,代替了目前采用的图解、试算等方法。该公式形式简洁、准确。在工程常用范围内临界水深的最大相对误差小于0.618%,正常水深的最大相对误差小于1.074%,它将给设计人员带来极大的方便。     

U形渠道水力最佳断面及水力计算

混凝土U形渠道已在生产中广泛采用。为了便于U形渠道的合理设计和水力计算,本文推导出U形渠道水力最佳断面为水面过底弧圆心,即均匀流正常水深h_0等于底弧半径r。并给出了正常水深h。与临界水深hk的范围判别方法和计算公式。