冬季输水混凝土防渗渠道冻胀机理研究

发布时间：2020-08-15 14:23

【摘要】：新疆年平均降水量约为154.4mm,境内山脉融雪构成大小河流570余条。冰川储量达到2.14万亿立方米,素有“固体水库”之称。水资源总量约为823.7亿立方米,但单位面积产水量仅为全国平均水平的六分之一。作为“一带一路”及“丝绸之路经济带”的核心区、作为中国下一个30年发展的“增长极”,其最重要的支撑要素是水资源,如若“跨域调水”的倡议得以实现,届时这些处于寒冷冬季且全年都输水的渠道冻胀破坏问题必然会制约新疆实现未来的水平衡,国内外对此类渠道的研究成果多与冰情方面有关,包括冰情数值模拟、冰情数据分析、反向输水冰情控制、冰期运行模式研究、冰期水力响应与反馈。目前已成功建立了梯形混凝土衬砌渠道冬季停水时的力学模型,并提出了被动式的防冻胀措施,却罕有对渠道冬季输水时衬砌结构抗冻胀能力的研究。针对冬季输水混凝土渠道冻胀的问题,本文选取影响渠道冻胀最主要的三个因素:温度、水分、土作用的响应。因此有必要构建有限元三场耦合混凝土衬砌渠道耦合模型,对其在冬季输水状态下的冻胀情况深入分析。本文首先考虑水热相变的作用,其次研究水热耦合过程中渠基土体的水分迁移变化规律,最后将水热耦合模块计算的结果导入力学模块并把渠内水以荷载的形式输入至应力预定义场之中,最终对其后处理得出的节点解利用已有的弹性力学公式计算板对渠基土的受力情况。全文主要内容如下:(1)引入了对流传热方程,确定水流与固体壁面之间仅凭借热传导产生热量的交换,得到导热系数的表达式,进而可以把渠内水未冻区和渠基土冻结区物理参数相连接。(2)相变对于渠基土温度场的影响很大,选取一土柱分析其7d~90d的温度场随时间的变化情况,并选取新疆玛纳斯河流域四级电站引水渠为模拟原型,基于寒区渠道设计规范,对该渠道进行运行不输水和运行输水两种状态的分析,得出了在渠道运行不输水时,温差较大,冻深较大;在运行输水时,输水渠道相变释放的潜热更大,冻深相对前者更小。(3)对上述渠道模型进行水热耦合模拟,发现渠基土在冻结后出现了水分重分布,水分迁移量主要集中在相变剧烈区。因此,渠基土壤中的水分运移必须考虑热运移与温度的影响。(4)将上述所得结论应用本文建立的三场耦合模型中,对石河子红山嘴电站四级输水渠道进行冻胀数值模拟分析,在使得各单元在节点和边界上保持变形协调基础上,用一般弹性理论求解,得各水深对应的节点的变形、应力解与理论计算结果很接近。
【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV698.26
【图文】：

示意图,冬季输水,渠道流,对流传热

（释放）能量。下降，内部自由水开始发生冻结，随后弱结合与强与温度、矿物成分以及含盐量等有关。在发生相变水和少量弱结合水发生冻结；随着温度的降低，剩弱结合水发生相变的温度区间称为相变剧烈区；将相变区；不发生相变的区域称为未相变区。料对流传热传热系数对流传热是指流体与其接触的固体壁面的之间发生，它是渠道内流体质点的移动与渠道衬砌板材之间由于引起流体运动原因的不同分为自然对流和强制体之间还发生着导热，因此影响对流传热这一复杂中常把各种因素转移到对流传热系数当中。土冻结时，冻结速率很小时，产生的温度梯度作用水分不停地涌向冻结锋面并在该处堆积，体积膨胀分的影响。本文考虑冬季输水渠道渠内流体外略平

模型图,土柱,模型,显热容

采用显热容法代替方程考虑冻土中潜热释放的代替土体的比热容。在步长控制在较小的范围况设定件的同时，设定土体在表。终年运行的冬季过水渠增大，土壤含水量也随往往是温度梯度作用下的影响，以一垂直土柱为例

土柱,有限元模型

土柱有限元模型划分Fig.3-2Finiteelementmodeldivisionofsoilcolumn

【参考文献】