单向冻结下渠基土的锅盖效应试验研究

寒旱区刚柔复合衬砌渠道铺设的复合土工膜阻碍土体冻结过程中的水分蒸发,出现复合土工膜下土体增水的现象,即“锅盖效应”。为探究土体的锅盖效应发生机制和规律,制备不同含水率的土柱试样进行单向冻结试验,分析复合土工膜对土柱温度场和水分场的影响。研究表明:有复合土工膜覆盖土柱的降温速率及土层间温差均小于未覆盖复合土工膜的土柱;冻结过程中,未覆盖复合土工膜的土柱底部水分通过土体孔隙通道不断向顶层迁移补充后蒸发,整个土柱含水率降低,且呈不均匀状分布;而有复合土工膜覆盖的土柱,在水分迁移和锅盖效应作用下,底部土体含水率降低,膜下顶层土体含水率显著增加,且膜下结冰,表明复合土工膜使土体在冻结过程中产生明显的锅盖效应。初始含水率不同的土柱受锅盖效应影响后产生的水分迁移量和形态存在差异,初始含水率较小的土柱顶层含水率的增加以气态水迁移为主,初始含水率较大的土柱含水率的增加则以液态水迁移为主。

弧底梯形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型及其求解

针对弧底梯形断面渠道,考虑复合土工膜和渠基土壤的摩擦力,通过分析复合衬砌渠道的冻胀破坏机理,指出弧底梯形复合衬砌渠道坡板可简化为在冻胀力、冻结力、摩擦力共同作用下的悬臂梁,整个衬砌体属于压弯组合变形结构。通过适当的假设和简化,建立了弧底梯形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型,分别求出渠道坡板和弧形底板内力表达式,并对衬砌板的厚度进行验算。对比混凝土渠道,加入复合土工膜后,衬砌体产生允许范围内的冻胀位移量,使渠基土壤对衬砌体的有效冻胀力和有效冻结力减小,改善了衬砌体本身的受力状态,起到防冻胀破坏的作用,揭示了复合衬砌渠道防冻胀破坏的机理;对比梯形渠道,认为弧底梯形渠道坡板与底板整体结构性更强,反拱作用明显,更有利于渠道的防冻胀破坏。

梯形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型研究

近年来复合土工膜与混凝土板相结合的复合衬砌防渗渠道得到了广泛应用。复合土工膜是一种薄型、连续、柔软的防渗材料,其防渗特性已有大量研究成果,但对复提合衬砌渠道的力学特性还缺乏研究。针对梯形断面渠道,建立了复合土工膜混凝土衬砌渠道的冻胀破坏力学模型,提出了衬砌板内力表达式及厚度验算公式。分析梯形复合衬砌渠道冻胀破坏的影响因素,结果表明,加入复合土工膜后削减了冻土对衬砌板的切向约束力,能起到防冻胀破坏的作用。

U形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型研究

针对U形断面渠道,将复合土工膜和刚性混凝土衬砌体的摩擦力考虑在内,建立U形复合衬砌渠道的冻胀破坏力学模型,分别求出渠道坡板和底板内力表达式并对衬砌板的厚度进行了验算。对比刚性混凝土渠道,加入复合土工膜后,削减了冻土对衬砌板的切向约束力,改善了衬砌体本身的受力状态,使得冻胀量分布更加均匀,起到了防冻胀破坏的作用,揭示了冻胀破坏的机理。U形断面渠道水力条件更优,接近水力最佳断面,整体结构性更强,更能适应地基不均匀变形,更有利于渠道的防冻胀破坏。为U形复合衬砌渠道的防冻胀破坏技术提供了理论依据。

深水条件下自平衡组合式钢围堰设计与现场试验研究

大型输水渠道衬砌在冻融循环等作用下易产生剥蚀破坏等缺陷,同时渠底反滤排水系统在运行过程中可能会失效,需要进行检修和维修。大型输水工程一般不具有停水或者降低水位运行条件,因此在不停水条件下渠道衬砌面板缺陷与破坏修复技术是大型调水输水工程检修、维护的重点和难点问题之一。以南水北调中线干渠衬砌修复现场试验为依托,进行了一种水下3.0～3.5m钢围堰的结构设计,深入研究了挡水面板、支撑传力系统并进行了有限元受力分析,研究了不同部位结构新型止水型式,提出了便于安装且止水效果好的自平衡组合式围堰成套技术,以及钢围堰水面装配、入水就位及拆卸转场施工技术,并结合现场试验成果进行不断优化,可以为大型输水工程衬砌水下修复干地作业提供有益参考。

盾构输水隧洞预应力钢筋混凝土衬砌结构设计研究

随着埋深不断增加,输水隧洞由埋深产生的内水压力相应增大,普通钢筋混凝土衬砌结构已不能满足承载要求。为此,对北京市南水北调中线配套工程东干渠工程的隧洞预应力衬砌结构设计进行了探讨研究。结果表明,利用现有成熟技术采用压浆式预应力复合衬砌可以满足该结构的适用性和耐久性要求。

冻土-复合土工膜-混凝土界面抗剪强度试验研究

为了研究冻土-复合土工膜-混凝土界面抗剪强度的形成及特征,进行了考虑抗剪温度、含水率、法向应力等因素影响下的直剪试验。建立考虑含水率、法向应力、冻结温度条件的冻土-复合土工膜-混凝土界面抗剪强度回归方程,为寒旱区刚柔复合衬砌渠道的抗冻胀设计和施工提供科学依据。

考虑土与板间摩擦力的两拼式U形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型

针对宁夏引黄灌区混凝土衬砌渠道冻胀破坏严重的现状,以小U形渠道为研究对象,建立了考虑摩擦力的两拼式U形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型,探讨土工膜混凝土复合衬砌体与渠基土之间的摩擦力对渠道衬砌板内力分布以及渠道抗冻胀的影响,并通过算例进行了对比验证。与刚性混凝土衬砌渠道相比,加入土工膜后,复合衬砌体产生了允许范围内的冻胀位移量,削弱了冻土对衬砌板的切向约束力,改善了衬砌体的受力状态,使冻胀量分布更加均匀,渠道冻胀力、冻结力减小,抗拉强度提高,抗冻胀能力有所增强。

衬砌渠道复合糙率原型观测与分析

在宁夏引黄灌区河东灌区选取具有代表性的秦渠开展复合衬砌材料渠道的糙率原型观测,根据断面几何尺寸、渠底比降观测数据,利用曼宁公式率定不同水深和流量条件组合下的渠道糙率.按照不同材料占湿周的比例,分别利用国家和地方标准规定的现浇混凝土、预制混凝土板和卵砾石材料推荐糙率计算衬砌渠道复合糙率,并与现场实测反算的糙率进行对比,取得了较满意的效果,并提出卵砾石材料建议糙率取值为0.026-0.028.

南水北调中线陶岔至鲁山段渠道防渗排水设计

为了减少南水北调中线工程总干渠的输水损失,采用渠道全断面现浇混凝土衬砌的防渗措施,对于土质较好且渗透系数较小的全挖方渠段,能够起到较好的防渗作用。针对存在侧向或者垂直渗漏问题的渠段,采用复合土工膜加强防渗。对于衬砌结构在地下水位高于渠水位时可能发生失稳的安全隐患,设计了由排水垫层、透水软管和逆止阀等配套的排水设施,并在渠坡采用塑料排水盲沟作为排水垫层。现场施工实践表明,这些排水措施取得了良好效果。

竹塑复合材料在宁夏灌区末级渠系衬砌中的应用研究

宁夏灌区末级渠系渠道衬砌率低,冻胀破坏和渗漏损失严重,灌区农业灌溉水利用系数仅为0.42。而且,灌区末级渠系的衬砌改造一直全部采用混凝土刚性材料进行防渗,存在的问题较多。为此,引进了技术先进、价格合理、适应性强的竹塑复合材料进行末级渠系衬砌,以改善灌区输水条件,延长衬砌工程使用寿命,实现水资源高效利用。本文从水力条件、节水效果、耕地占用、维修养护、施工速度等方面对传统混凝土渠道与竹塑复合材料衬砌渠道的特性进行了分析比较,并进行了相关综合经济效益评价。