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。     

梯形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型研究

近年来复合土工膜与混凝土板相结合的复合衬砌防渗渠道得到了广泛应用。复合土工膜是一种薄型、连续、柔软的防渗材料,其防渗特性已有大量研究成果,但对复提合衬砌渠道的力学特性还缺乏研究。针对梯形断面渠道,建立了复合土工膜混凝土衬砌渠道的冻胀破坏力学模型,提出了衬砌板内力表达式及厚度验算公式。分析梯形复合衬砌渠道冻胀破坏的影响因素,结果表明,加入复合土工膜后削减了冻土对衬砌板的切向约束力,能起到防冻胀破坏的作用。     

弧底梯形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型及其求解

针对弧底梯形断面渠道,考虑复合土工膜和渠基土壤的摩擦力,通过分析复合衬砌渠道的冻胀破坏机理,指出弧底梯形复合衬砌渠道坡板可简化为在冻胀力、冻结力、摩擦力共同作用下的悬臂梁,整个衬砌体属于压弯组合变形结构。通过适当的假设和简化,建立了弧底梯形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型,分别求出渠道坡板和弧形底板内力表达式,并对衬砌板的厚度进行验算。对比混凝土渠道,加入复合土工膜后,衬砌体产生允许范围内的冻胀位移量,使渠基土壤对衬砌体的有效冻胀力和有效冻结力减小,改善了衬砌体本身的受力状态,起到防冻胀破坏的作用,揭示了复合衬砌渠道防冻胀破坏的机理;对比梯形渠道,认为弧底梯形渠道坡板与底板整体结构性更强,反拱作用明显,更有利于渠道的防冻胀破坏。     

Pasternak冻土地基梯形渠道冻胀变形与内力计算

为克服现有Winkler模型未考虑渠基冻土连续性的不足,引入Pasternak剪切层描述独立土弹簧间的相互作用,进而提出Pasternak冻土地基上梯形渠道冻胀力学分析方法。对基土均匀冻胀且无顶盖板约束的梯形渠道导出接触面法向应力、衬砌板冻胀位移及截面内力分布的解析式。以甘肃省某梯形渠道为例,应用本文模型和Winkler模型计算各衬砌板冻胀位移分布及接触面法向应力分布,并结合观测值进行了对比。结果表明：本文模型计算结果与观测值符合良好,且相比Winkler模型计算结果更接近观测值,能更加准确地反映衬砌冻胀位移分布规律,表明模型合理性。该模型能较好地体现法向冻胀力随衬砌冻胀变形的释放与衰减;法向冻胀力作用于坡板中下部且呈非线性、差异分布;中上部有脱开、翘起趋势而受法向冻结力作用;底板则只受法向冻胀力作用。研究结果可为梯形渠道抗冻胀设计提供参考。     

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.     

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。     

基于冻胀量模拟计算的梯形渠道断面设计优化研究

在北方寒区渠道设计建设过程中,需要采取必要措施,防止冻胀破坏。此次研究以某灌区渠系改造为工程背景,利用数值模拟的方式探讨了渠深、渠底宽和渠坡坡度对冻胀量的影响,并提出了具体的工程设计建议,可以为相关类似研究和背景工程建设提供参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

考虑冰盖生消和冰-结构-冻土协同作用的渠道弹性地基梁模型

冰-冻破坏是寒区冬季输水渠道结构破坏的主要原因,而目前尚缺乏准确的分析方法和评价准则。本文从冰盖生消过程中结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构冰冻破坏机理出发,考虑在冰-结构-冻土协同作用下,基于弹性地基梁Winkler理论推导了衬砌结构的挠曲线微分方程,分别建立了3个阶段衬砌结构的冰冻破坏力学模型,并结合相应荷载组合和边界条件对模型求解获得了衬砌结构的挠度、内力和应力的解析表达。应用该模型对南水北调京石段某输水渠道进行冰冻破坏分析计算,结果表明:结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构的法向冻胀位移最大值分别为10.62、13.89和5.05 cm,对应3个阶段衬砌结构的截面最大拉应力分别为3.63、 4.11和2.05 MPa,且破坏位置均在冻结区坡板的中下部,与现场监测渠道冰冻破坏分布规律吻合。据此,建议寒区冬季输水渠道控制运用中应尽量缩短结冰初期、流冰期时间,延长第3阶段稳定封冻期时间,同时应合理控制地下水位和冰盖厚度。研究结果可为寒区冬季输水渠道抗冰冻设计提供理论依据和分析方法。     

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。     

基于输水损失动态变化特性的渠系优化配水模型研究

渠系优化配水是灌区减少渠道渗漏损失、提高渠系水利用效率的重要节水管理措施,但当前渠系优化配水模型的渗漏损失计算方法难以真实反映渠床土壤透水性随时间动态变化的特征,导致人为的配水偏多或者偏少.鉴于此,本文探索性引入渠床土壤前期影响含水量的概念来描述渠床土壤湿润程度在渠道输配水过程中的动态变化,提出了一种新的渠道输水渗漏损...     

基于SHAW模型的河套灌区秋浇渠系优化配水模型研究

河套秋浇是为满足来年春播作物水盐需求而进行的保墒淋盐灌溉。针对传统基于作物需水预测成果进行渠系配水存在的预报依赖性强和中长期预报精度低问题,本文提出了一种不需要作物需水预测成果的渠系优化配水模型框架,该框架依据春播初期作物水盐要求,将SHAW模型嵌入优化配水模型,确定秋浇配水计划。河套灌区永济灌域2016年秋浇配水计划编制实例研究表明:与传统基于需水预测的配水方法相比,新方法得到的配水计划可以在不增加渠首引水量及渠道输水损失总量基础上显著提升淋盐效果,使春播初期0～40 cm土层水盐状态更加适宜于作物播种,春播初期土壤0～40 cm土层平均盐分超标由60%以上降低至5%以下,同时配水公平性也得到提升。