基于周向冻缩变形协调的衬砌渠道防冻胀纵缝计算方法

寒区渠道基土法向冻胀引起渠周收缩与刚性衬砌变形不协调,造成衬砌冻胀破坏。设置纵缝是规范中防止冻胀破坏的主要措施,但纵缝位置及宽度尚无法确定。该文在充分考虑开放与半开放环境下冻胀特点下,根据变形协调条件建立了多种典型断面渠周冻缩量计算的数学模型,进一步通过理论推导给出了渠周收缩计算公式及分布规律,经渠道冻胀水热力耦合模型验证其正确性;给出了渠周冻缩量的计算方法及渠周冻缩率的分布规律,分析了断面冻缩敏感性;从变形协调角度给出了纵缝布置及最小缝宽的确定方法。结果表明:断面形状的冻缩敏感性为:梯形>抛物线形>弧底梯形/弧脚梯形/U形;半开放系统α<55°、开放系统α<70°时,抛物线形渠道冻缩量大于其他形式;断面曲率是否连续决定了冻缩率的变化幅度;宽浅式渠道渠周冻缩率小于窄深式,宽浅式弧脚梯形或弧底梯形渠道冻缩分布最均匀,抗冻胀性能最优越;抛物线形仅适于窄深式断面。为了消除变形不协调导致的冻胀破坏,可以在渠周冻缩率突增处设缝,即梯形渠道坡脚处,抛物线形渠道在渠底中心,弧脚梯形/弧底梯形/U形渠道在直线与曲线交界处。研究可为寒区渠道防冻胀工程建设及设计规范修订提供理论参考。