考虑太阳辐射的渠基冻土热力学解析模型

季节性冻土区渠道混凝土衬砌冻胀破坏一直是困扰灌区健康发展的难题。导致渠道混凝土衬砌冻胀破坏的主要外界因素有衬砌表面温度、渠基土地下水与渠基土质等。大量实验证明,在太阳辐射的作用下渠道混凝土衬砌与渠基土体之间产生一定的温度差,从而形成一定的温度梯度,使得渠基土水分不断向衬砌底部迁移,产生较大的法向冻胀力,造成衬砌鼓起与脱落。文章在考虑太阳辐射因素对渠基土体温度场影响的基础上,将其回归成正弦函数T代入热力学方程中,并通过MATLAB编程计算出太阳辐射因素下渠道不同位置各个时刻t的深度z随温度T的变化规律,为以后季节性冻土区渠基土体温度场计算提供了一种简单可行的方法。     

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。     

季节冻土区梯形混凝土衬砌渠道冻胀预测研究

依据热传导和质量迁移理论,建立渠基冻土温度场、水分场和应力场耦合数学模型,分析了影响季节冻土区渠基土体冻结的核心因素温度和水分运移量,提出以冻结期渠基土体温度和水分迁移量为变量,建立渠基土体冻深和冻胀量预测模型。借助于季节性冻融条件下梯形混凝土衬砌渠道原型观测成果,观测了冻结期渠基以下5 cm处土体温度以及水分迁移量,研究了季节冻融渠基温度和水分运移及其诱发的冻深发展和冻胀变形的变化。经检验,预测曲线与实测曲线基本一致,且满足误差要求,用冻结期土体温度和水分迁移量来预测冻深、冻胀的方法准确可行。     

渠床基土冻胀与衬砌结构变形及破坏规律的探讨

总结试验研究及工程实践的经验，浅述渠床基土冻胀特性以及形成衬砌结构变形的发生、发展及其形成冻害的演变规律，并提出季节冻土地区渠道衬砌工程改建时应遵循的原则、方法和思路。     

衬砌与无衬渠道温度场、观测对比分析

针对哈尔滨市万家干渠衬砌与无衬砌渠道,通过对其温度场与冻胀量进行了冬-春季的观测及变化分析研究,阐述了采取混凝土板衬砌措施处理的渠道可适当提高渠基温度,基础温度场相对稳定,并可适当减轻渠基土体的冻胀变形,利于维护渠道的整体稳定。     

季冻区渠基冻胀模拟分析

渠道作为输送农业用水的主要载体,受季冻区气候影响极易发生地表隆起、衬砌开裂脱落等冻胀破坏现象。本文以黑龙江省松干渠道为原型,采用试验与模拟相结合的手段,基于室内试验获取热力学参数、冻胀系数、力学参数等冻胀模拟关键参数,利用有限差分软件建立冬季停水渠基模型,施加温度模块模拟渠基冬季冻胀全过程,探究渠基的冻胀特性。结果表明：渠基温度与深度呈负相关,冻胀量随着时间的推移分为快速冻结阶段、缓慢冻结阶段、稳定阶段,2月份达到冻胀量最大值。     

渠道衬砌与防渗设计

石津干渠供水区属水资源极度缺水地区,由于水资源短缺和过度开发利用水资源,引发了一系列的环境、地质问题,因此渠道衬砌与防渗对渠道节水改造显得尤为重要。渠道采用现浇混凝土板衬砌减糙,实现渠底和边坡全断面衬砌,衬砌顶高程为加大水位加超高。衬砌厚度边坡0.1 m,渠底0.08 m。通过计算渠道渗漏流量确定了渠道防渗设计方案,即结合混凝土衬砌,渠基渗透系数小于1×10~(-5)m/s的渠道采用现浇混凝土衬砌防渗,以聚硫密封胶嵌缝;渠基渗透系数大于1×10~(-5)m/s的强渗漏渠段、渠道下方有穿渠建筑物的渠段铺设土工膜,以加强防渗。     

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。     

季节冻土区跨流域调水工程明渠衬砌结构型式探讨

我国多年冻土和冬季冻土面积占国土面积的75%,其中冻结深度大于0.5m的地区约占全国总面积的一半。北方季节冻土区大多干旱缺水,修建跨流域调水工程是必然选择。我国已建和在建的跨流域调水工程绝大多数采用明渠输水方式,输水渠道是跨流域调水工程的重要组成部分,合理选择渠道衬砌型式,确保输水明渠边坡稳定,既是工程建设期决定投资的重要因素,更是制约工程建成后运行安全、工程维修养护费用的关键因素。首次将渠基划分为主冻胀区和副冻胀区,从季节冻土区明渠衬砌的工程实践方面探讨了构建季节冻土区柔性护坡的衬砌体系。     

混凝土板衬砌渠道应注意的问题

近几年来,在节水灌溉渠道施工中,大多采用现浇混凝土板(或预制混凝土板)进行渠道衬砌。因混凝土板衬砌的渠道,表面平整度较好,糙率低,水流流速快,既美观,又实用。同时,施工进度快,质量好,材料供应广泛,是一种值得推广的渠道衬砌技术。但是,由于混凝土板衬砌渠道,一般都是无基础护砌工程,因此在季节冻土区施工,需注意以下几个问题:一、渠道削坡整形及回填土的要求渠道衬砌大多是在原土渠渗漏比较严重的地段,断面宽窄不一,因此在混凝土衬砌     

反演梯形渠道砼衬砌体表面温度的太阳辐射模型

根据渠道不同部位衬砌体表面接受太阳辐射量不同、温度不同的基本规律,利用太阳辐射量之间相互平衡的关系,建立了通过太阳净辐射反演渠道衬砌体表面温度的一种简单实用的太阳辐射模型。利用MATLAB编程计算出了考虑遮蔽情况下渠道不同部位的大气温度T 0及衬砌板温度T S 随时间t变化的曲线,比较了各个部位混凝土温升与大气温升的关系。计算实例表明,模型不仅符合实际中的规律,而且为以后的渠道表面衬砌体温度反演提供了一种简单可行的方法。     

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。     

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。     

渠道衬砌混凝土裂缝产生的原因分析及预防措施

南水北调中线京石段渠道机械衬砌已进入施工高峰期，渠道衬砌为大面积薄板混凝土结构，在硬化过程和硬化后都会因混凝土干缩、温度变化及地基沉降等产生不同程度的裂缝。而混凝土面板的结构型式、边界条件等比其它混凝土结构存在有较大的差异，这种差异使面板裂缝受混凝土风缩、干缩、温度变化及地基沉降的影响更大，容易产生裂缝，从施工过程上讲，裂缝的产生与混凝土衬砌时的施工环境、削坡的质量、切缝时间的掌握及混凝土养护等几个因素有关。     

坡向 坡度对渠床基土冻结的影响

本文从分析气候因素着手，论述了任意坡向、坡度面的日出、日没时角、坡面太阳辐射系数（Ｋｔ）、太阳辐射地温增值（△Ｔ）、日照遮荫系数（Ｋｚ）的计算方法，找出了渠床基土各部位的冻结规律，建立了任意坡向坡度面负温指数和坡面日照遮荫系数的计算模式，为渠床各部位的冻深计算提供依据。     

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...     

轻骨料混凝土在寒区渠道衬砌中的应用

为研究浮石轻骨料混凝土作为渠道衬砌材料的可行性,采用天然浮石、砂、水泥、水以及工业废料粉煤灰制作浮石轻骨料混凝土渠道衬砌板,与无衬砌渠道及普通混凝土衬砌渠道进行渠床基土温度的比较;同时,利用图像处理软件对比分析普通混凝土截面与浮石轻骨料混凝土截面的形貌特征。结果表明:浮石轻骨料混凝土衬砌可以有效减缓基土与外界的热交换速度,使基土在整个冻结期温度变化缓慢,基土冻结延迟或不发生冻结;在引气剂用量相同的情况下,浮石轻骨料混凝土可见封闭孔的数量在整个截面所占面积比例远大于普通骨料混凝土。     

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。     

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。