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

【摘要】：渠道衬砌冻胀破坏在我国北方寒冷地区普遍存在,严重危害着工程正常运行。衬砌冻害一般发生在渠底以及边坡下部位置,其破坏形式主要表现为衬砌发生变形、出现裂缝、隆起、乃至剥离滑落,降低渠道输水效率,使渠道建筑物的使用年限缩短,运行条件变坏,而且须增加许多非生产性劳动、材料及投资去运行和维护,甚至重新修建。因此掌握渠基土冻胀及衬砌结构的破坏机理,采取必要的抗冻胀措施,对节约水资源和发挥工程效益具有重要的实践意义。本文在阅读相关书籍和参考相关文献的基础上,探究了渠基冻土的冻胀机理及ABAQUS有限元理论在渠道冻胀分析中的适用性,分析总结了目前国内外关于冻胀模型的研究成果和渠道抗冻胀数值模拟理论,主要针对渠道抗冻胀数值模拟研究中存在的问题进行了探讨和总结。就衬砌板的塑性破坏问题考虑了混凝土材料的非线性,采用了混凝土的损伤本构模型。就混凝土衬砌板与渠基土之间分离、粘合、滑移的力学行为,分别采用了ABAQUS自带的法向接触模型和切向接触模型,主要考虑了冻土的冻结强度的作用。并将该模型应用于宝鸡峡灌区塬下北干渠渠道,将模拟结果与渠道实测结果进行对比,验证其合理性。在此基础上,对不同倾角、不同厚度的D600型混凝土衬砌渠道进行数值模拟分析,给出该地区U型渠道衬砌倾角的合理范围。本文主要内容及成果如下:(1)建立考虑混凝土、冻土非线性和考虑渠基土与混凝土衬砌板之间力学行为的热力耦合模型。在以往的渠道模型中,混凝土和渠基冻土多止于弹性阶段,忽略其非线性特性。但是随着渠道结构设计要求的提高,结构需要弹性设计以外的弹塑性验算,以获得渠系结构在冻融循坏往复作用下的实际变形情况。本文选用ABAQUS自带混凝土损伤模型(Concrete Damaged Plastic)和冻土(Drucker-Prager)塑性屈服准则来模拟渠基冻土的非弹性力学行为。渠基土和衬砌板之间法向行为,认为接触面能承受一定的拉力(大小等于相应负温下冻土的冻结强度),超过这个力后,渠基冻土和混凝土衬砌板张开。摩擦模型采用Column准则和允许最大剪应力(冻结强度)控制,当切向应力超过允许剪切应力后,认为渠基冻土和混凝土衬砌板产生滑移。结果表明:该模型能够反映混凝土衬砌板与渠基土之间脱开、滑移的力学行为,也能反映混凝土衬砌板的薄弱段和冻土的破坏程度,与工程实践一致。且不考虑接触的混凝土塑性应变最大值是考虑接触的塑性应变值的3.76倍,考虑接触后的法向冻胀力、切向冻结力均减少1.5-3倍。(2)U型混凝土衬砌结构是冻土区采用的主要渠道断面形式,合理的渠道断面参数是渠道设计中的重要环节。传统的渠道断面优化设计仅从单一的水利要素出发,对渠道抗冻胀方面多凭工程经验确定。本文基于上述冻胀模型,考虑U型衬砌渠道坡角和衬砌板厚度变化对冻胀效果的影响,以宝鸡峡灌区塬下北干渠渠道为研究对象,建立D600型混凝土衬砌渠道,倾角分别为8°、10°、12°、14°、16°、18°、20°、22°、24°、26°和28°,衬砌板厚度为6、8、10cm,建立区分阴阳坡和不区分阴阳坡情况下的模型,共计66个。结果表明:以渠道法向冻胀量最小为目标,对于不区分阴阳坡的渠道来说,适宜的衬砌厚度为8cm,衬砌倾角为??22~18;区分阴阳坡的渠道,适宜的衬砌厚度为10cm,衬砌倾角为??2018~。此时,混凝土衬砌渠道受力较为均匀,工程造价也相对较小。