季冻区整体式U形渠道合理倾角研究
发布时间：2021-04-11 01:04
季冻区土壤水分在负温梯度作用下,发生迁移、相变,土体体积膨胀致使渠道衬砌在不均匀冻胀作用下发生开裂、上抬和变形等冻胀破坏,严重影响工程正常运行,造成灌溉水的浪费。研究渠道冻胀破坏机制和特征,提出有效抗冻胀措施,对渠道设计选型以及灌区节水灌溉发展具有实际意义。针对季冻区整体式U形渠道的水-热-力耦合过程和冻胀破坏特征研究不足的问题,基于冻胀理论与冻胀耦合模型理论,构建了整体式U形渠道冻胀力学模型,通过室内土柱单向冻结实验验证水-热-力耦合模型;利用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟原型渠道的冻胀过程,综合考虑冻胀破坏影响因素,优选倾角断面,提出合理施工建议,得到主要结论如下:（1）建立整体式U形渠道冻胀破坏力学模型,在衬砌达到极限破坏状态下,经结构计算、内力计算和混凝土板抗裂验算,反算得到衬砌极限切向冻结切应力,提出极限切向冻结切应力-倾角计算公式,联立切向冻结力经验公式,根据渠基土土质、混凝土衬砌强度和厚度计算渠道极限抗冻胀倾角。该方法简化了抗冻胀倾角求解过程,计算方便。（2）建立水-热-力三场耦合模型,通过土壤冻结实验实验进行率定和验证,得到内蒙古河套亚黏土的冻结温...
【文章来源】：西北农林科技大学陕西省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国冻土分布（LiShuangyang，2015）
西北农林科技大学硕士学位论文2作用十分敏感，适应拉伸变形和不均匀变形能力较差。经实地调查发现，灌区内渠道衬砌厚度范围主要为5~10cm，而渠基土冻胀量最大可达10~20cm，超出了混凝土的变形范围从而产生开裂等破坏。此外，灌区常年引水灌溉，渠道基土初始含水量较大，地下水位较高(夏玉红等2007)，因而造成渠道冻胀问题非常突出；采用常规的防渗防冻胀措施，往往不能有效地解决冻胀与衬砌稳定问题，破坏造成维修费用增加，甚至重复投资进行改建，严重影响了渠道功能的发挥，不仅浪费了大量的财力物力，而且浪费了宝贵的水资源。所以渠道衬砌的冻胀破坏问题要从根本上得到解决，进一步挖掘渠道节水潜力，对缓解水资源供需矛盾以及灌区节水灌溉发展具有重要意义(何武全和刘群昌2009)。图1-1中国冻土分布（LiShuangyang，2015）Fig.1-1DistributionmapoffrozensoilinChina（LiShuangyang，2015）图1-2冻胀破坏（下载于网络）Fig.1-2Damageoffrostheave（Downloadontheweb）1.2研究目的及意义整体式U形渠道具有整体性和抗变形能力强、水利条件好等特点，但是倾角较小的渠道衬砌冻胀破坏严重；而渠道倾角过大，又影响过水能力和占地面积。所以，通过
西北农林科技大学硕士学位论文10图2-1冻胀示意图Fig.2-1Aschematicoffrostheave2.1.2渠道整体上抬如图2-2所示，负温下渠基土受冻胀影响发生隆起，下部冻胀明显，上部和边坡基土冻胀较校下部基土产生的冻胀力将渠道衬砌顶起，渠道底部上表面受拉，由于衬砌弧段呈反拱，将一部分冻胀力分解为轴力，因此渠底部较易产生裂缝(吕步锦和王红雨2017)。衬砌整体随基土一起冻胀变形而发生上抬，当处于消融期，温度升高，基土内冰晶体逐渐融化，基土膨胀逐渐收缩，冻胀力随之减小，渠道衬砌在自身重力作用下，缓慢复位或发生沉降。渠道衬砌整体上抬对渠道结构安全影响较小，衬砌能够自然复位，基本满足正常输水的要求。图2-2整体式U形渠道整体上抬Fig.2-2OverallelevationofintegralU-shapedcanal2.1.3渠道边坡开裂如图2-3所示，渠道中下部基土冻胀显著，衬砌受到较大的冻胀力，衬砌底部弧板呈明显的反拱作用，可将冻胀力进行分解，从而削减冻胀；而边坡为直板，不再具有拱
【参考文献】：
期刊论文
[1]大型弧底梯形渠道“适缝”防冻胀机理及应用研究[J]. 江浩源,王正中,王羿,刘铨鸿,葛建锐. 水利学报. 2019(08)
[2]“U”型渠道冻胀力力学计算研究[J]. 李学生. 陕西水利. 2019(06)
[3]温-水-土-结构耦合作用下寒区梯形衬砌渠道结构形体优化[J]. 王羿,刘瑾程,刘铨鸿,王正中. 清华大学学报(自然科学版). 2019(08)
[4]寒旱区梯形渠道衬砌冻胀破坏数值模拟[J]. 张海晨,李振,张茂林,姚志鹏,朱兴林,王铭岩. 人民黄河. 2019(03)
[5]不同地下水位下渠基冻胀规律与保温板适宜厚度确定[J]. 郭富强,史海滨,程满金,高文慧. 农业工程学报. 2018(19)
[6]寒区弧底梯形衬砌渠道冻胀破坏的尺寸效应研究[J]. 王正中,刘少军,王羿,刘铨鸿,葛建锐. 水利学报. 2018(07)
[7]混凝土衬砌渠道置换防冻胀标准化技术模式[J]. 王洪波. 科学技术创新. 2018(11)
[8]坡角对U型渠道衬砌冻胀变形的影响[J]. 曹谷,高建阳,汤桂梅. 水利规划与设计. 2017(07)
[9]农业水资源现状与节约利用[J]. 郭兰英. 现代农村科技. 2017(03)
[10]宁夏引黄灌区小型U形渠道混凝土衬砌冻胀监测与分析[J]. 吕步锦,王红雨. 宁夏工程技术. 2017(01)
博士论文
[1]基于水文过程的作物生产水足迹量化方法研究[D]. 栾晓波.中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心) 2018
[2]渠道衬砌冻胀破坏力学模型及防冻胀结构研究[D]. 李甲林.西北农林科技大学 2009
硕士论文
[1]考虑接触力学行为的U型渠道冻胀数值模拟与衬砌结构优化研究[D]. 高凤.西北农林科技大学 2016
[2]宁夏引黄灌区小型U形混凝土衬砌渠道冻胀监测与数据分析[D]. 吕步锦.宁夏大学 2016
[3]装配式U型混凝土渠道衬砌钢模具数值模拟研究[D]. 程传胜.宁夏大学 2016
[4]考虑水分相变的渠道冻胀数值模拟研究[D]. 孙洪宝.西北农林科技大学 2015
[5]寒区混凝土防渗渠道保温防冻胀措施保温层合理厚度研究[D]. 刘志斌.石河子大学 2013
[6]砼衬砌渠道冻胀破坏断裂力学模型及数值模拟研究[D]. 孙杲辰.西北农林科技大学 2013
[7]弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀力学模型及数值模拟[D]. 李超.石河子大学 2010
[8]大U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型及数值模拟[D]. 张茹.西北农林科技大学 2007
[9]砼衬砌渠道冻胀破坏力学模型及应用[D]. 陈涛.西北农林科技大学 2004
本文编号：3130660
【文章来源】：西北农林科技大学陕西省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
中国冻土分布（LiShuangyang，2015）
西北农林科技大学硕士学位论文2作用十分敏感，适应拉伸变形和不均匀变形能力较差。经实地调查发现，灌区内渠道衬砌厚度范围主要为5~10cm，而渠基土冻胀量最大可达10~20cm，超出了混凝土的变形范围从而产生开裂等破坏。此外，灌区常年引水灌溉，渠道基土初始含水量较大，地下水位较高(夏玉红等2007)，因而造成渠道冻胀问题非常突出；采用常规的防渗防冻胀措施，往往不能有效地解决冻胀与衬砌稳定问题，破坏造成维修费用增加，甚至重复投资进行改建，严重影响了渠道功能的发挥，不仅浪费了大量的财力物力，而且浪费了宝贵的水资源。所以渠道衬砌的冻胀破坏问题要从根本上得到解决，进一步挖掘渠道节水潜力，对缓解水资源供需矛盾以及灌区节水灌溉发展具有重要意义(何武全和刘群昌2009)。图1-1中国冻土分布（LiShuangyang，2015）Fig.1-1DistributionmapoffrozensoilinChina（LiShuangyang，2015）图1-2冻胀破坏（下载于网络）Fig.1-2Damageoffrostheave（Downloadontheweb）1.2研究目的及意义整体式U形渠道具有整体性和抗变形能力强、水利条件好等特点，但是倾角较小的渠道衬砌冻胀破坏严重；而渠道倾角过大，又影响过水能力和占地面积。所以，通过
西北农林科技大学硕士学位论文10图2-1冻胀示意图Fig.2-1Aschematicoffrostheave2.1.2渠道整体上抬如图2-2所示，负温下渠基土受冻胀影响发生隆起，下部冻胀明显，上部和边坡基土冻胀较校下部基土产生的冻胀力将渠道衬砌顶起，渠道底部上表面受拉，由于衬砌弧段呈反拱，将一部分冻胀力分解为轴力，因此渠底部较易产生裂缝(吕步锦和王红雨2017)。衬砌整体随基土一起冻胀变形而发生上抬，当处于消融期，温度升高，基土内冰晶体逐渐融化，基土膨胀逐渐收缩，冻胀力随之减小，渠道衬砌在自身重力作用下，缓慢复位或发生沉降。渠道衬砌整体上抬对渠道结构安全影响较小，衬砌能够自然复位，基本满足正常输水的要求。图2-2整体式U形渠道整体上抬Fig.2-2OverallelevationofintegralU-shapedcanal2.1.3渠道边坡开裂如图2-3所示，渠道中下部基土冻胀显著，衬砌受到较大的冻胀力，衬砌底部弧板呈明显的反拱作用，可将冻胀力进行分解，从而削减冻胀；而边坡为直板，不再具有拱
【参考文献】：
期刊论文
[1]大型弧底梯形渠道“适缝”防冻胀机理及应用研究[J]. 江浩源,王正中,王羿,刘铨鸿,葛建锐. 水利学报. 2019(08)
[2]“U”型渠道冻胀力力学计算研究[J]. 李学生. 陕西水利. 2019(06)
[3]温-水-土-结构耦合作用下寒区梯形衬砌渠道结构形体优化[J]. 王羿,刘瑾程,刘铨鸿,王正中. 清华大学学报(自然科学版). 2019(08)
[4]寒旱区梯形渠道衬砌冻胀破坏数值模拟[J]. 张海晨,李振,张茂林,姚志鹏,朱兴林,王铭岩. 人民黄河. 2019(03)
[5]不同地下水位下渠基冻胀规律与保温板适宜厚度确定[J]. 郭富强,史海滨,程满金,高文慧. 农业工程学报. 2018(19)
[6]寒区弧底梯形衬砌渠道冻胀破坏的尺寸效应研究[J]. 王正中,刘少军,王羿,刘铨鸿,葛建锐. 水利学报. 2018(07)
[7]混凝土衬砌渠道置换防冻胀标准化技术模式[J]. 王洪波. 科学技术创新. 2018(11)
[8]坡角对U型渠道衬砌冻胀变形的影响[J]. 曹谷,高建阳,汤桂梅. 水利规划与设计. 2017(07)
[9]农业水资源现状与节约利用[J]. 郭兰英. 现代农村科技. 2017(03)
[10]宁夏引黄灌区小型U形渠道混凝土衬砌冻胀监测与分析[J]. 吕步锦,王红雨. 宁夏工程技术. 2017(01)
博士论文
[1]基于水文过程的作物生产水足迹量化方法研究[D]. 栾晓波.中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心) 2018
[2]渠道衬砌冻胀破坏力学模型及防冻胀结构研究[D]. 李甲林.西北农林科技大学 2009
硕士论文
[1]考虑接触力学行为的U型渠道冻胀数值模拟与衬砌结构优化研究[D]. 高凤.西北农林科技大学 2016
[2]宁夏引黄灌区小型U形混凝土衬砌渠道冻胀监测与数据分析[D]. 吕步锦.宁夏大学 2016
[3]装配式U型混凝土渠道衬砌钢模具数值模拟研究[D]. 程传胜.宁夏大学 2016
[4]考虑水分相变的渠道冻胀数值模拟研究[D]. 孙洪宝.西北农林科技大学 2015
[5]寒区混凝土防渗渠道保温防冻胀措施保温层合理厚度研究[D]. 刘志斌.石河子大学 2013
[6]砼衬砌渠道冻胀破坏断裂力学模型及数值模拟研究[D]. 孙杲辰.西北农林科技大学 2013
[7]弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀力学模型及数值模拟[D]. 李超.石河子大学 2010
[8]大U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型及数值模拟[D]. 张茹.西北农林科技大学 2007
[9]砼衬砌渠道冻胀破坏力学模型及应用[D]. 陈涛.西北农林科技大学 2004
本文编号：3130660
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