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渠道衬砌冻胀破坏力学模型及防冻胀结构研究

李甲林  
【摘要】:渠道冻害防治是灌区水利工程建设中急需解决的重要技术问题,对于地下水位较高的地区,渠道冻胀破坏尤为严重。本文依据冻土物理学、冻土力学、三场耦合理论、有限元理论、渗流理论、弹性力学、结构力学、材料力学等有关学科的基础理论对渠道基土冻胀和衬砌结构进行分析,提出了冻土的弹性本构模型和渠道砼衬砌冻胀破坏力学模型,进行冻胀过程三场耦合数值模拟,提出防冻胀新型结构,从而有效防治渠道冻害。论文进行的主要工作,取得的主要结论以及创新性成果包括: (1)从渠道冻胀研究概况、渠道抗冻胀技术措施、国内外渠道冻胀研究进展等三个方面比较系统地总结了国内外渠道冻胀研究现状。 (2)分析阐述毛细理论、第二冻胀理论、分凝冻结等冻胀机制理论,分别对土基质、水分条件、温度条件、附加荷载、土密度及渠道走向等渠道冻胀主要影响因素进行分析,并就不同结构形式如梯形、弧底梯形、U形、弧形坡角梯形混凝土衬砌渠道破坏特征进一步分析。 (3)通过适当假设和简化处理,系统地提出梯形、准梯形、弧底梯形、U型砼衬砌渠道冻胀破坏力学模型,给出求解渠道衬砌板内力以及渠道抗冻胀破坏验算等一系列计算方法,对渠道衬砌抗冻胀结构进行定量化计算。在此基础上结合最佳水力条件进一步分析U型渠道的最佳断面。 (4)鉴于各向同性线弹性本构模型分析冻土与建筑物相互作用的不足,视冻土本构关系为横观各向同性,进行理论分析及验证。而后将冻土视为由冰晶体与较干硬密实土体完整充填完全粘结组成的横观各向同性固体介质,根据变形协调条件,以单层复合材料典型微单元体为研究对象,对冻土弹性参数进行研究预测。基于统一强度理论和复合材料力学理论,探讨冻土强度准则并对其进行预测。 (5)在前人研究的基础上,分析研究三场耦合模型,主要包括:合理确定基本假设,完善反映土体骨架、土壤水分等各种热力学参数之间关系的状态方程,建立本构方程,完善三场耦合控制方程组,分析确定定解条件,在空间上采用有限元法、在时间上采用有限差分法,以开放系统和封闭系统中自由冻胀的土体为例,分析土体在冻结过程中其温度场和含水量随深度的变化状况以及冻胀量和冻胀系数随温度的变化状况,从而为渠道冻胀预报和进行衬砌结构定量分析提供了依据。 (6)根据有限元理论,以甘肃靖会总干梯形与弧底梯形渠道及宝鸡峡灌区塬下北干渠为例建立模型,对渠道冻胀温度场、位移场和应力场进行数值模拟,计算结果与实测值进行对比,分析验证力学模型和简化三场耦合模型的准确性。在此基础上,验证了设置不同纵缝、沥青混凝土及聚合物柔性增强涂层衬砌渠道抗冻胀效果。 (7)基于高地下水位渠道的工作特点和破坏机理,研究渠道衬砌结构形式,提出高地下水位滤透式刚柔耦合衬砌结构及完整的技术方案。通过试验分析、力学计算、渗流稳定计算以及三场耦合分析验证了滤透式刚柔耦合衬砌结构的防冻胀效果,并成功地运用在甘肃白银市东坪电灌站,解决高地下水位区渠道工程建设与管理重大工程技术难题。采用滤透式刚柔耦合衬砌结构,实现同一渠道兼具输水、排水、控制地下水位、生态保护等多种功能。 (8)采用正交试验设计理论,以极差分析、趋势分析、方差分析等方式,分别对渠道断面形式、混凝土衬砌板厚度、分缝位置、渠基土冻胀系数和混凝土衬砌板弹性模量等渠道冻胀影响因素进行敏感性研究,并给出了各种因素的敏感性大小排序。


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