混凝土衬砌梯形渠道有限元分析及底板裂缝的计算

发布时间：2019-11-03 18:08

【摘要】：我国地域辽阔、人口众多，而水资源却严重缺乏，我们需要考虑以及采取一定的措施将有限的水资源充分利用得以解决水资源紧缺的问题，世界各国各地区都在积极采取保护水资源的措施，达到建设节水型社会和发展节水型农业的目的，发展节水型农业是我国现代农业的主方向，然而渠道在输水过程中造成了水资源的严重损失，渠道防渗是减少农业用水的浪费的措施之一。目前，混凝土衬砌渠道是应用最为广泛的防渗衬砌形式，但是混凝土适应变形能力比较差，在冻土地区由于渠基冻土发生冻胀之后会对渠道衬砌板产生冻胀力，使渠道衬砌板发生冻胀破坏，出现裂缝、滑塌和上抬等破坏形式，严重的甚至影响渠道的正常使用，如此便需要对混凝土衬砌渠道进行维修或者改建，影响了水利工程经济效益的发挥，因此防止混凝土渠道发生冻胀破坏是急需要解决的问题。混凝土衬砌渠道发生冻胀破坏是因为没有掌握混凝土衬砌梯形渠道冻胀破坏时的受力和变形规律，因此不能采取相应的防止渠道冻胀破坏的措施，为了研究混凝土衬砌梯形渠道的冻胀破坏规律以及渠道裂缝的产生和扩展情况，本文进行了以下工作：（1）通过查阅大量相关资料，得到混凝土衬砌梯形渠道的冻胀机理、冻胀破坏的原因和冻胀破坏的特征，为建立有限元模型及底板裂缝的分析打下了基础。（2）对渠道衬砌板和渠基冻土进行有限元分析，将冻土看作横观各向同性线弹性材料建立有限元模型，应用有限元分析软件ANSYS对甘肃省靖会总干梯形渠道进行热应力耦合分析，得到了混凝土衬砌梯形渠道的温度场、应力场和位移场的分布并分析其破坏规律，温度场阴坡的温度梯度大于阳坡的温度梯度，应力场中阴坡的应力大于阳坡的应力，坡板在坡顶和靠近坡脚处应力比较大，底板在中部靠近阴坡部位应力比较大，位移场中阴坡整体比阳坡位移大，坡板的坡顶和坡脚位移偏大，渠底板在中部和靠近阴坡部位的位移比较大，与实际观测值比较吻合，分析了梯形渠道的冻胀破坏规律。（3）对于存在初始裂缝的渠底板，建立了Ⅰ型裂缝断裂破坏准则，以Ⅰ型裂缝的断裂韧度作为强度指标进行判断，应用断裂力学知识对有初始裂缝的混凝土底板进行计算，得到合理的衬砌底板的设计厚度，然后应用有限元分析软件对渠道底板的裂缝进行分析，得到底板裂缝尖端的应力强度因子，并对渠道底板裂缝扩展的过程进行了有限元模拟，与Ⅰ型裂缝的实际破坏情况比较相符，因此裂缝的有限元分析可以应用到渠道冻胀产生的裂缝分析，为以后混凝土衬砌梯形渠道底板的设计和裂缝监测等提供合理的依据和参考。
【图文】：

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农业农水一直以来占很大一部分，图 1-2 是 2012重，我们知道随着经济的快速发展和人口的增加，分，不过从 80 年代的 80%已经降到了现在的 62%用水的供需不平衡。农业干旱缺水是制约我国农业有两个原因，一方面本身我国的水资源有限，而且方面是在农业用水过程中造成的很大一部分的浪费采取的方式，在渠道灌溉输水的途中，，仅有一部分另一部分水一方面在运输过程中蒸发到空气中，另中渗透到土壤中，并没有被输送到田间供农作物吸失，因此我国的灌溉水的利用率很低仅有 0.4-0.6道运输造成的水资源浪费的主要原因，占用农业总程中的大量浪费，而且我国的农业用水量占用水总图 1-1 2010 年我国水资源、耕地与人口分布-1 China's water resources and land, population distribution

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内外研究现状久以来，水资源的缺乏已经上升为全球性的水危机问题，而且使世界上专家学者引起了高度重视，提出了很多解决水资源的办法，但是蓄水和源并没有很大程度上解决水资源匮乏的问题，最主要的措施是首先要节资源污染，其次要提高水资源的利用率。为了提高水资源的利用率，很开展渠道防渗工程的建设，混凝土衬砌、土料衬砌以及膜料衬砌等材料用材料，但是使用最广泛的还属刚性的混凝土衬砌（曹政权等 2006）。凝土衬砌发生破坏主要原因是冻土的冻胀作用，从 19 世纪末开始对冻的研究，俄罗斯冻土研究委员会成立于1980年,开始广泛研究冻土,进入冻土研究有一个快速发展的时代,自然资源的开发在美国、加拿大和其纪中期开始研究和开发,在中国永久冻土和冻土研究相对较晚,开始于速度已达到国际先进水平,在60年代五个研究所已经开始研究冻土,直图 1-2 2012 年我国各部分用水量百分比Fig. 1-2 The percentage of the various parts of water of 2012
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TV544

【参考文献】