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宁夏引黄灌区小型U形渠道抗冻胀试验与衬砌结构研究

白剑  
【摘要】:宁夏位于黄河中上游,土地面积的3/4属于干旱区,是一个典型的缺水地区。宁夏引黄灌区农田水利工程的一个突出问题是渠道渗漏严重。近年来,为解决粮食安全问题,国家推行高标准基本农田建设,要求灌区支斗级渠道的砌护率达到100%,农渠的砌护率达到75%。随之而来的就是这些小型渠道的防渗抗冻胀问题,并且会逐渐凸显其严重性。 因此,论文针对季节性冻土地区农业灌溉中输配水渠道的冻胀破坏问题,介绍了近年来国内外对于渠道防渗以及抗冻胀研究的一些最新研究进展;在借鉴已有各类渠道抗冻胀试验研究成果的基础上,提出了小型U形渠道混凝土衬砌结构冻胀变形的具体试验观测方案;以宁夏引黄灌区小型U形渠道混凝土衬砌结构为例,选择银北地区前进农场八一支渠段所属灌区作为研究区,重点针对该灌区中的整体式、两拼式、三拼式等小型U形混凝土衬砌结构渠道,实施了抗冻胀试验观测,从2013年11月到2014年3月,观测期历时一个冻融季;整理、分析和讨论了观测实验数据与试验结果,并就试验观测中存在的有关问题进行了相应的分析探讨。 论文试验研究结果如下: (1)通过理论分析和试验研究,揭示了宁夏引黄灌区典型试验区(以支斗农渠为例)小型U形渠道冻胀机理与破坏特征。 (2)通过冻胀观测试验,对三种不同衬砌结构U形渠道衬砌板气温、地温、冻深以及冻胀变形量的试验数据统计比较,揭示了各影响因素与冻胀破坏的关系及分布规律,分析了渠道衬砌的主要破坏时段和破坏部位及其形成原因,主要表现为: 1)地温,三种结构均呈现出地温随土壤深度增加而升高的趋势,且渠基阴坡面土壤温度低,阳坡面温度高,对于不同测点在同一时间,同一深度处,地温值由渠道底部至两端顶部均呈现出逐渐减小的趋势,渠底地温最高。对于阳坡来说,上孔的地温普遍高于下孔,表明渠坡下部由于日照时间短,比中上部地温较低。 2)冻深,两拼式渠道是东西走向的渠道,可以看出北坡的冻深小于南坡,从渠道衬砌方向上看,北坡为阳坡,南坡为阴坡,渠底的冻深大于阳坡而小于阴坡。三拼式衬砌渠道是南北走向渠道,可以看出西坡的冻深大于东坡,东坡为阳坡,西坡为阴坡。从三种衬砌结构经过一个冻融观测周期的表面破坏情况来看,渠道阴坡的破坏程度明显大于阳坡。 3)冻胀量,从三种衬砌渠道的冻胀变形观测分布线,我们得出,三种渠道的底部都是冻胀变形最大的部位,其次对于整体式和三拼式衬砌渠道,属于南北走向渠道,从图中我们可以看出阴坡的冻胀量大于阳坡,对于两拼式衬砌渠道,由于属于东西走向渠道,受日照程度差距大,阴阳两坡的冻胀量差别较大,由此我们可说明渠道的走向对于渠道的冻胀破坏也是一个决定性的影响因素。 4)对于整体式渠道混凝土衬砌最容易发生破坏的点为弧段与坡板及底板的连接处,且不同衬砌均有微小或较大的冻胀破坏;对于两拼式,最容易破坏的点是坡脚处,经过一个冻融期的观测,有个别板出现微小裂缝;对于三拼式,我们发现在1/3坡长处有贯穿整个渠道的纵向裂缝,并且是大面积的出现。 (3)通过对各种衬砌形式进行防冻胀,抗裂缝分析与评价,较系统的对三种结构的抗冻 胀效果做了比较,最后结合工程造价、施工等因素综合考虑,提出了相应改进措施及适应宁夏引黄灌区环境特点的渠道抗冻胀衬砌结构优化方案。 期待论文试验研究结果能为进一步完善渠道衬砌受到冻胀破坏机理的理论研究,对宁夏灌区进行的灌区续建配套与节水改造,以及在研的国家自然基金课题的后续研究提供参考。


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