| 标题 | U型混凝土渠道冻胀数值模拟分析 |
| 范文 | 郭军 摘要：渠道冻胀是造成渠道衬砌特别是刚性混凝土衬砌渠道破坏的主要原因，由于其抗拉抗弯性能差，当衬砌不能适应渠道基础土的冻胀变形或不能抵抗渠道基础土的冻胀力时，就会发生冻胀破坏。U 形衬砌混凝土渠道以其水力条件好、占地面积小、防渗抗冻胀性能强等优点，在渠道建设和灌溉分区改造中得到了广泛的应用。但是，灌溉分区渠道的地基土会反复冻融，衬砌渠道仍会受到不同程度的破坏。为了改善这种情况，在设计过程中有必要充分了解 U 形衬砌渠道倾角和厚度对降低冻胀的影响。 关键词：U型混凝土;渠道冻胀;数值模拟 一、U型混凝土渠道冻胀概述 渠道衬砌是灌区灌溉渠道的主要组成部分。在甘肃定西地区，由于冻融循环的影响，许多已建渠道衬砌受到不同程度的破坏，不仅增加了运行难度和维护难度，影响了工程的正常运行，而且影响了渠道衬砌的渗漏。在定西地区，用于修复冻融循环作用造成的渠道损坏的资金不在少数。在中华人民共和国水利部“十二五”规划期间，渠道衬砌按计划将在季节性地表地区修建。防治渠道衬砌偏鼓问题有待进一步研究。特别值得注意的是季节性冻土地区分布的变化以及防冻衬砌结构与传统衬砌结构的特点差异分析。 通过渠道防渗工程的建设，渠系水资源利用系数得到了很大的提高。还应当指出，所有这些防渗工程都受到不同程度的破坏，50% 的现有设施、40% 的运河系统建筑物和32% 的衬砌渠道受到破坏。特别是在西北季节性冻土区的定西地区，渠道衬砌的冻胀破坏较为严重。通过目前广泛应用的大型 U 形渠道的冻胀观测试验，收集了原型渠道冬季运行期间的各项参数，包括渠道衬砌冻胀变形、渠基土含水量、气温、冻结深度等试验数据，研究了渠道混凝土衬砌的冻胀破坏机理，分析了衬砌与渠床土的相互作用，对寒冷地区渠道工程混凝土衬砌的设计与施工具有重要的指导意义。 工程实践表明，季节性冻土地区的冻胀和融沉会引起渠道衬砌边坡的失稳破坏。在过去的几十年中，已经发展了大量的技术，可以用来保护渠道线路免受冻胀破坏和融沉。通常，这些技术可以分为两类： （1）传统的渠道结构为无衬砌渠道，（2）一种新型渠道衬砌结构，利用天然或人工材料的热特性来防止冻胀破坏。研究结果表明，在季节性冻土条件下，防止渠道衬砌冻胀的工程措施是可行的。 二、U型混凝土渠道冻胀数值模拟分析 在季节性冻土地区，由于冻融循环作用，渠道衬砌可能受到严重破坏，可能导致衬砌稳定性下降。在正温度梯度的影响下，冻融循环过程将热量和土壤水分重新分配到表面。季节性冻土区土壤的性状受温度的影响很大，因此，地热状况分析在許多科学问题中具有重要意义。季节性冻土地区渠道衬砌结构的损伤问题是一个复杂的热传输和潮流相互作用问题。一般来说，负温度、易冻土和土壤含水量的存在都会引起土体的冻胀。新型渠道衬砌结构具有排水效果好、防浪能力强、热导率低等优点，经济实用。因此，它提供了水系统安全和环境保护。我们用数值模型分析了两种衬砌体系。基于热传输和潮流传输理论，综合分析土壤冻结必须考虑热传输和潮流模型的二维耦合系统。 根据渠道衬砌结构设计规格，渠道衬砌层主要由粘土和粉砂壤土组成，进而可以确定不同的计算域，本文忽略了遮阳坡的影响。对河灌区进行了长期的温度观测，得到了灌区不同表面温度的变化方程。利用航空站的气象信息，通过正弦函数的回归分析，我们可以将航道表面的上界温度降低到下面的正弦函数。根据附着层原理，我们得到了地面的年平均温度。本文所建立的模型是基于以下的基本假设： 土介质在潮流回流方面是不变形的，即固结是可以忽略的。水分在冻结区和非冻结区的迁移仅以液态水的形式发生，因此气相和蒸汽迁移对净水迁移的影响很小，盐排斥作用可以忽略不计，土壤颗粒的容积在冻结过程中保持不变。因此，具有相同初始水分含量和密度的土壤颗粒是各向同性的，在冻结或未冻结地区的体积热容或热导率没有变化。土壤冰点在荷载作用下的下降。 在本文的U型混凝土渠道冻胀情况分析过程中，设计方案如下，将复合土工膜置于0.2 m 的基层底部，然后在0-0.2 m 的基层底部用压路机压实粘土，第1部分是混凝土板、砂砾石层、聚合物——聚乙烯保温板和复合土工膜的组合。混凝土板厚0.08 m，砂砾石层厚0.34 m，聚苯乙烯保温板和复合土工膜总厚0.08 m。第一部分的材料特性被认为是计算模型的砂砾石，第一部分厚0.5米。第二层是粘土，第二层厚4.5米。第三层为粉质壤土，第三层为9.0 m。结合前期的温度分析结果能够进一步分析得出渠底最低温度为-2 c，即渠底最低温度为-0.08 m，最低温度为-2°c。最高温度为12°c。 针对引起冻胀的三个因素： 土壤、水分和温度，可采取防冻胀措施。土壤水分条件对渠道冻胀影响很大。新型渠道衬砌结构由混凝土板、聚苯乙烯保温板、砂砾层和复合土工膜组成。混凝土板表现出低渗透性。本实用新型热导率低、密度低、成本低，能有效防止空气与土壤之间的热交换。由于渠道断面变形分布不均匀而引起的冻胀，使渠道衬砌经常受到破坏。由于砂砾是粗粒物质，不会引起冻胀。从而防止了冻融循环过程中的不均匀沉降。砂砾石的导热性能低，排水快，复合土工膜具有良好的防水性能。冻胀变形往往导致渠道衬砌产生不均匀位移，从而引起渠道衬砌开裂和不均匀变形。因此，加强排水层和结构层、采用隔热层和隔离层是防止冻害的措施。根据现场试验资料，新型衬砌结构总冻胀达1.98 cm，冻深约32 cm，冻胀率为6.18% 。对于传统渠道衬砌结构，总冻胀达6.4 cm，冻深约53.3 cm，传统渠道衬砌结构的冻胀率为12.01% ，总冻胀远大于新型渠道衬砌结构的总冻胀。 三、结束语 在此之后对两种渠道衬砌结构的热状态和边坡温度进行了初步分析。在同一水深处，新型渠道衬砌结构的温度明显高于传统渠道衬砌结构，结果证明了新型渠道衬砌结构是一种有效的防冻胀结构。进一步研究能够得出土壤含水量是影响渠道衬砌结构抗冻胀性能的最主要参数，也是影响渠道衬砌结构抗冻胀的主要因素。在传统渠道衬砌结构的表面下，水分含量只发生了轻微的变化。但在新型渠道衬砌结构下，水分在不同深度变化显著。结果表明，新型渠道衬砌结构能防止水体向下渗漏，排水良好，保温效果好，并能切断地基水分的迁移。因此，传统渠道衬砌结构在一年中最低温度时的冻胀大于新型渠道衬砌结构。由此可以看出，新建的U型混凝土渠道结构具有低渗透、防渗效果好的特点。 参考文献 [1]高靖，田军仓，王斌.不同U型结构混凝土渠道冻胀数值模拟分析[J].灌溉排水学报，2015，34（4）：38-42. [2]高凤，娄宗科，肖旻.考虑接触行为的U型渠道冻胀数值模拟[J].长江科学院院报，2020，37（1）：161-165. [3]温彤，王红雨.整体式小U形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏数值模拟研究[J].陕西水利，2018，（3）：231-233. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。