宁夏引黄灌区骨干渠道EPS保温板厚度优选试验及数值模拟研究

发布时间：2017-05-27 12:23

  本文关键词：宁夏引黄灌区骨干渠道EPS保温板厚度优选试验及数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：宁夏地处季节性冻土区,严重的冻胀破坏不仅使得灌区渠道运行年限降低、维修费用增加,而且影响灌溉水资源的高效和持续利用,已成为制约高标准农田基本建设的瓶颈。本文在查阅国内外渠道冻胀机理研究文献的基础上,结合宁夏灌区渠道破坏现状,以引黄灌区两条干渠(秦渠和良田渠)为研究对象,开展了衬砌渠道冻胀破坏机理、不同类型渠道冻胀破坏特征以及铺设聚苯乙烯保温板减缓渠道冻胀破坏效果的试验研究与优化分析计算,预期为我区农田水利配套工程设计提供依据。论文的主要研究工作包括：(1)分别选取秦渠呈东西走向的渠段和良田渠呈南北走向的渠段作为典型试验段,布置观测断面,在各观测断面不同位置铺设不同厚度聚苯乙烯保温板,进行了包括气温、冻深、冻胀量、土壤含水率等要素的原型观测。通过分析观测结果,探讨了不同厚度保温板对上述因素的影响,进而研究了不同走向的渠道和不同渠坡位置上,聚苯乙烯保温板的铺设厚度问题；(2)根据上述两条干渠典型试验段的实际资料,对目前聚苯乙烯保温板厚度计算的三种方法(经验估算法、热工计算法和相关比拟法)进行了验算,并结合试验所得保温板厚数据,对计算公式进行了系数修正;(3)利用ANSYS有限元软件,建立了试验渠段各观测断面的数学模型,进行热-应力耦合数值模拟计算,给出了渠道冻胀过程中的温度场与位移场,并对其进行分析研究,得到了有限元模拟计算的保温板厚度值；(4)最后结合宁夏灌区实际情况,将试验法、理论计算法和ANSYS有限元软件模拟等三种方法分别得到的保温板厚度值进行优选,给出了宁夏引黄灌区骨干衬砌渠道聚苯乙烯保温板的合理厚度。主要研究结论如下：(1)渠道冻深、冻胀量、土壤含水率与渠道走向、渠坡位置有关。东西走向渠道,阴坡冻深、冻胀量均大于阳坡,渠底介于二者之间；南北走向渠道,边坡冻深、冻胀量小于渠底；渠底含水率大于边坡,阴坡含水率大于阳坡,土壤冻结期含水率大于冻结前,土体在最大冻深处含水率变化最为明显；(2)渠道冻深、冻胀量、土壤含水率分布与保温板厚度有关。渠道铺设保温板可明显减小冻深,并且随着保温板厚度的增加,冻深逐渐减小,当保温板厚度达到某一数值冻深便不再发生变化,该数值与渠道走向、渠坡位置有关；保温板可明显减小冻胀量,保温板越厚,冻胀量越小；铺设保温板可以改善渠基土水分迁移变化,使得土体在冻结前后土壤含水率变化较未设置保温板的土壤含水率小；(3)经过修正的理论计算结果可以用于宁夏灌区保温板厚度的选取。其中,经验公式法由于计算结果区间变化大,不建议直接用于工程设计；热工学计算法中预留一定厚度冻土层的计算方法与实测值相接近,可以作为工程设计中保温板厚度的初步确定；将相关比拟法安全系数调整为1.5,计算结果与实测值比较接近,可用于宁夏灌区保温板厚度的初步确定；理论计算法的结果都需要结合实际情况进行相应的调整；(4) ANSYS有限元软件模拟结果可以作为渠道保温板厚度选取的一个依据。根据温度场计算结果可知,保温板能够有效改善冻土层温度分布,随着保温板厚度的增加,相同土层温度逐渐升高；对位移场模拟结果进行分析发现,聚苯乙烯保温板能够减小渠道冻胀位移,并且随着保温板厚度的增加,位移逐渐减小；数值模拟结果给出的保温板厚度与试验所得数据在边坡与圆弧段相接近,渠底偏小；(5)将试验观测、理论计算和有限元数值模拟的保温板厚度进行比选,并考虑宁夏灌区实际情况,给出了不同走向、不同地下水位埋深、不同断面位置的聚苯乙烯保温板厚度及其相应的防冻胀形式。
【关键词】：防冻胀试验 EPS保温板 冻深 冻胀量 数值模拟 板厚优选
【学位授予单位】：宁夏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV698.26
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 问题的提出及研究意义10-11
• 1.1.1 课题来源10
• 1.1.2 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 渠道冻胀破坏理论的研究11-13
• 1.2.2 防冻胀工程技术措施研究现状13-15
• 1.3 研究方案15-17
• 1.3.1 研究目标及内容15-16
• 1.3.2 拟解决关键问题16
• 1.3.3 技术路线16-17
• 第二章 聚苯乙烯板保温机理研究17-25
• 2.1 渠道冻胀破坏机理17-22
• 2.1.1 温度对渠道冻胀破坏的影响17
• 2.1.2 土质对渠道冻胀破坏的影响17-18
• 2.1.3 含水量与地下水位对渠道冻胀破坏的影响18
• 2.1.4 衬砌体强度对渠道冻胀破坏的影响18-22
• 2.2 聚苯乙烯板保温机理和材料性能22-24
• 2.2.1 聚苯乙烯保温板基本性能23
• 2.2.2 聚苯乙烯板基本物理性能23
• 2.2.3 聚苯乙烯保温板压缩强度23-24
• 2.2.4 聚苯乙烯保温板厚度24
• 2.3 本章小结24-25
• 第三章 聚苯乙烯保温板试验研究25-58
• 3.1 试验背景资料25-26
• 3.1.1 秦渠背景资料25
• 3.1.2 良田渠背景资料25-26
• 3.2 试验方案26
• 3.2.1 试验目的26
• 3.2.2 试验内容26
• 3.3 试验设备26-29
• 3.3.1 冻深观测设备26-27
• 3.3.2 冻胀量观测设备27-28
• 3.3.3 土壤水份观测设备28
• 3.3.4 气温观测设备28-29
• 3.4 试验布设29-37
• 3.4.1 秦渠试验段29-33
• 3.4.2 良田渠试验段33-37
• 3.5 试验观测37
• 3.6 试验数据处理及分析37-56
• 3.6.1 气温37-38
• 3.6.2 冻深38-47
• 3.6.3 冻胀量47-52
• 3.6.4 土壤含水率52-56
• 3.7 本章小结56-58
• 第四章 聚苯乙烯保温板厚度理论计算58-67
• 4.1 保温板厚度理论计算58-61
• 4.1.1 经验估算法58-59
• 4.1.2 公式计算法59-61
• 4.2 工程实例计算61-66
• 4.2.1 经验估算法61-63
• 4.2.2 公式计算法63-66
• 4.3 本章小结66-67
• 第五章 聚苯乙烯保温板数值模拟研究67-78
• 5.1 软件简介67
• 5.2 计算流程67-69
• 5.3 渠道原型及相关参数69
• 5.4 基本假定69-70
• 5.5 模型建立与网格划分70-71
• 5.6 定义材料属性71-72
• 5.7 加载求解72-76
• 5.7.1 热应力结果及分析72-73
• 5.7.2 结构应力结果及分析73-76
• 5.8 保温板厚度选取76-77
• 5.9 本章小结77-78
• 第六章 聚苯乙烯保温板厚度优选78-81
• 6.1 试验法78
• 6.2 理论计算法78-79
• 6.3 计算机数值模拟79
• 6.4 保温板最优厚度比选79-80
• 6.5 结论80-81
• 第七章 结论与展望81-83
• 7.1 结论81-82
• 7.2 展望82-83
• 参考文献83-87
• 致谢87-88
• 作者简介88

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

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本文编号：399981