季冻区渠道湿干冻融离心模拟试验设备的研制
发布时间：2021-04-06 04:05
季节冻土占中国国土面积的一半以上,位于季冻区的渠道随着季节变换和通停水的周期变化,会经历湿润—干燥—冻结—融化（简写为湿干冻融或者WDFT）的循环过程,从而造成渠道结构的破坏。研制了一套可以在超重力场下模拟渠道湿干冻融反复作用的离心模型试验设备,该设备主要由干湿系统、热交换系统、模型箱、地面冷水装置和数据采集控制系统等组成。干湿系统主要包括水位升降装置、风干装置等,热交换系统包括半导体热交换装置、空气内循环装置等,模型箱采用内外双层隔热结构,地面冷水装置可以实现将30℃的常温水快速冷却至3℃～5℃以供热交换系统使用,数据采集控制系统包括干湿控制、热交换控制、数据采集分析等。该套设备可以实现在50g离心力场下渠道模型温度在-40℃～30℃之间,渠基土体湿度在干燥—饱和状态的准确控制,为季冻区渠道的渐进劣化破坏过程和机理研究提供了新的重要手段,并可推广应用到寒旱区的水利、交通等领域的工程科研当中。
【文章来源】：岩土工程学报. 2020,42(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
北疆某供水总干渠典型气象和运行资料
冻融和干湿本质都是由于水分的多少或形态的变化引起的工程问题，而渠道作为输水建筑物，受水分的影响最为直接和长期。干湿和冻融的耦合循环和相互促进势必会造成膨胀土渠道更加严重的劣化破坏（见图2），通水20 a的北疆季冻区供水工程总干渠已经证实该现象[3]。目前，对于输水渠道劣化破坏的研究主要采用室内单元试验的方法进行探索[4-6]，但由于应力状态和时间模拟等方面和实际情况差别很大，只能用作渠基土单元体在干湿或冻融循环作用下基本规律的探讨[7-8]，而开展渠道破坏的现场研究[9-10]周期长，费用高，难以普遍采用。因此，在室内进行输水渠道劣化破坏的物理模型试验将是一种有效的研究方法。离心模型试验是用离心力场模拟重力场，既能克服小比尺模型的应力差异过大，又避免了原位试验复杂耗时的难题，是近年来应用日益广泛的物理模型试验方法。诸多学者通过离心模型试验对渠道边坡稳定问题进行了一系列研究[11-13]，而用于模拟季冻区输水渠道工程的离心模拟技术由于起步较晚，研究成果相对较少[14-15]。对此，笔者团队近10 a来开展了大量的科研工作[16-20],2014年研发了首套专用于渠道冻融问题研究的离心模型试验系统[21]，完善了冻土离心模拟技术的同时，为探索渠道冻害机理与冻害处治方案提供了重要研究手段。随着对于季冻区渠道问题研究的深入，上述设备已无法对输水渠道现场复杂的多场耦合边界条件（湿干冻融）进行模拟。因此，本文在上述研制设备的基础上，考虑现场渠道经历干湿和冻融耦合循环作用的特点，对上述设备研发工作进一步深化和完善，研制了一套可以在超重力场下模拟渠道湿干冻融反复循环作用的离心模型试验设备。本文详细介绍了本试验设备的组成、特点及使用方法，并通过一组离心模型试验论证了该设备进行季冻区输水渠道湿干冻融模拟研究的可行性和有效性。该设备的研制为探索复杂多场作用下季冻区输水渠道劣化破坏机理提供了新的研究手段。
研制的渠道湿干冻融离心模拟试验系统，主要包括(1)干湿系统，(2)热交换系统，(3)模型箱，(4)地面冷却水循环装置，(5)数据采集控制系统等，总体的组成结构如图3所示。图3 渠道湿干冻融离心模型试验设备
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑干湿循环作用的膨胀土渠道边坡破坏机理研究[J]. 蔡正银,陈皓,黄英豪,张晨. 岩土工程学报. 2019(11)
[2]湿干冻融耦合循环作用下膨胀土裂隙演化规律[J]. 蔡正银,朱洵,黄英豪,张晨. 岩土工程学报. 2019(08)
[3]冻土离心模型试验相似准则分析[J]. 张晨,蔡正银,徐光明,黄英豪. 岩土力学. 2018(04)
[4]冻土离心模拟技术研究进展[J]. 蔡正银,张晨,黄英豪. 水利学报. 2017(04)
[5]冻融作用对土的工程性质影响的研究进展[J]. 冯德成,林波,张锋,冯鑫. 中国科学:技术科学. 2017(02)
[6]北疆渠道基土盐-冻胀特性的试验研究[J]. 蔡正银,吴志强,黄英豪,魏雁冰. 水利学报. 2016(07)
[7]输水渠道冻胀离心模拟试验[J]. 张晨,蔡正银,黄英豪,徐光明,任国峰. 岩土工程学报. 2016(01)
[8]咸寒区灌渠冻害原型段及监测系统的建立[J]. 王怀义,黄英豪,贺传卿,杨桂权. 水利科技与经济. 2015(01)
[9]渠道冻胀离心模型试验设备的研制[J]. 黄英豪,蔡正银,张晨,徐光明,洪建忠,赵宝忠. 岩土工程学报. 2015(04)
[10]干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究[J]. 张家俊,龚壁卫,胡波,周小文,王军. 岩土力学. 2011(09)
博士论文
[1]降雨诱发非饱和土边坡浅层失稳离心模型试验及分析方法[D]. 刘小川.浙江大学 2017
本文编号：3120724
【文章来源】：岩土工程学报. 2020,42(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
北疆某供水总干渠典型气象和运行资料
冻融和干湿本质都是由于水分的多少或形态的变化引起的工程问题，而渠道作为输水建筑物，受水分的影响最为直接和长期。干湿和冻融的耦合循环和相互促进势必会造成膨胀土渠道更加严重的劣化破坏（见图2），通水20 a的北疆季冻区供水工程总干渠已经证实该现象[3]。目前，对于输水渠道劣化破坏的研究主要采用室内单元试验的方法进行探索[4-6]，但由于应力状态和时间模拟等方面和实际情况差别很大，只能用作渠基土单元体在干湿或冻融循环作用下基本规律的探讨[7-8]，而开展渠道破坏的现场研究[9-10]周期长，费用高，难以普遍采用。因此，在室内进行输水渠道劣化破坏的物理模型试验将是一种有效的研究方法。离心模型试验是用离心力场模拟重力场，既能克服小比尺模型的应力差异过大，又避免了原位试验复杂耗时的难题，是近年来应用日益广泛的物理模型试验方法。诸多学者通过离心模型试验对渠道边坡稳定问题进行了一系列研究[11-13]，而用于模拟季冻区输水渠道工程的离心模拟技术由于起步较晚，研究成果相对较少[14-15]。对此，笔者团队近10 a来开展了大量的科研工作[16-20],2014年研发了首套专用于渠道冻融问题研究的离心模型试验系统[21]，完善了冻土离心模拟技术的同时，为探索渠道冻害机理与冻害处治方案提供了重要研究手段。随着对于季冻区渠道问题研究的深入，上述设备已无法对输水渠道现场复杂的多场耦合边界条件（湿干冻融）进行模拟。因此，本文在上述研制设备的基础上，考虑现场渠道经历干湿和冻融耦合循环作用的特点，对上述设备研发工作进一步深化和完善，研制了一套可以在超重力场下模拟渠道湿干冻融反复循环作用的离心模型试验设备。本文详细介绍了本试验设备的组成、特点及使用方法，并通过一组离心模型试验论证了该设备进行季冻区输水渠道湿干冻融模拟研究的可行性和有效性。该设备的研制为探索复杂多场作用下季冻区输水渠道劣化破坏机理提供了新的研究手段。
研制的渠道湿干冻融离心模拟试验系统，主要包括(1)干湿系统，(2)热交换系统，(3)模型箱，(4)地面冷却水循环装置，(5)数据采集控制系统等，总体的组成结构如图3所示。图3 渠道湿干冻融离心模型试验设备
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑干湿循环作用的膨胀土渠道边坡破坏机理研究[J]. 蔡正银,陈皓,黄英豪,张晨. 岩土工程学报. 2019(11)
[2]湿干冻融耦合循环作用下膨胀土裂隙演化规律[J]. 蔡正银,朱洵,黄英豪,张晨. 岩土工程学报. 2019(08)
[3]冻土离心模型试验相似准则分析[J]. 张晨,蔡正银,徐光明,黄英豪. 岩土力学. 2018(04)
[4]冻土离心模拟技术研究进展[J]. 蔡正银,张晨,黄英豪. 水利学报. 2017(04)
[5]冻融作用对土的工程性质影响的研究进展[J]. 冯德成,林波,张锋,冯鑫. 中国科学:技术科学. 2017(02)
[6]北疆渠道基土盐-冻胀特性的试验研究[J]. 蔡正银,吴志强,黄英豪,魏雁冰. 水利学报. 2016(07)
[7]输水渠道冻胀离心模拟试验[J]. 张晨,蔡正银,黄英豪,徐光明,任国峰. 岩土工程学报. 2016(01)
[8]咸寒区灌渠冻害原型段及监测系统的建立[J]. 王怀义,黄英豪,贺传卿,杨桂权. 水利科技与经济. 2015(01)
[9]渠道冻胀离心模型试验设备的研制[J]. 黄英豪,蔡正银,张晨,徐光明,洪建忠,赵宝忠. 岩土工程学报. 2015(04)
[10]干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究[J]. 张家俊,龚壁卫,胡波,周小文,王军. 岩土力学. 2011(09)
博士论文
[1]降雨诱发非饱和土边坡浅层失稳离心模型试验及分析方法[D]. 刘小川.浙江大学 2017
本文编号：3120724
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