北疆白砂岩与泥岩的土水特征曲线及渗透曲线实验研究

中国北疆地区大型渠道基土多为白砂岩和泥岩,其水力特性决定着渠道结构病害的形成与发育。为此以新疆阿勒泰北屯灌区的白砂岩、泥岩为研究对象,测试其物理力学和抗渗各项指标;根据非饱和土理论,采用滤纸法得到其土水特征曲线,并基于Gardner模型、Van Genuchten模型和Fredlund&Xing模型对土水特征曲线进行参数拟合并分析其持水特性;结合其土水特征曲线进一步采用Childs&Collis-Geroge模型研究了其非饱和渗透曲线。试验结果表明:白砂岩、泥岩具有膨胀性且为低渗透性土体。白砂岩抗剪强度高、压缩性低。白砂岩、泥岩土水特征曲线拟合效果最好的分别是GA模型、VG模型,泥岩较白砂岩的持水性能更好。相对渗透系数随基质吸力增加而急剧降低,一定基质吸力范围内两者在双对数坐标系中呈直线型曲线。

考虑太阳辐射的寒区衬砌渠道水-热-力耦合冻胀模型与应用

寒区渠道走向导致的太阳光遮蔽产生了阴阳坡效应,引起了渠道水、热、变形的非对称分布。为探明其对渠道冻胀破坏的影响规律,本文提出了渠道阴影计算方法,采用HOTTEL晴空辐射模型,基于辐射度算法建立了考虑太阳辐射时空变化的渠道热辐射边界方程,并结合冻土水-热-力耦合理论构建了“环境-冻土-工程”相互作用的耦合冻胀模型。基于寒区“E-W”走向大型输水渠道现场监测数据验证了该模型的准确性,并系统分析了渠道温度场、水分场及变形场的耦合作用及发展变化的不对称、不同步规律。仿真结果表明:太阳辐射和阴坡遮蔽导致阴阳坡热边界差异显著,其日均温差最大为3.5℃,阴坡早于阳坡15 d冻结,晚于阳坡1 d融化,冻深最大差值为31 cm;冻结期内阴坡冰含量明显高于阳坡,而融化期阳坡冰融化较快,水分场呈条带状分布;坡板和底板最大冻胀变形分别发生在1/4~1/3坡长处和偏阳坡处,阴阳坡冻胀变形差值最大为4.0 cm。上述不对称、不同步冻结特征的宏观表现均是由阴阳坡太阳辐射的空间效应和昼夜温差的时间效应引起的温度梯度和冻结速率差异所致,就此给出了冻胀数值模拟热边界合理选取的建议,为寒旱区大型渠道防冻胀设计、复核及修复提供理论依据。

寒区预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型

基于Winkler弹性地基梁理论及有限杆单元的思想,以单块预制板为研究对象构建其挠曲线微分方程并求解;在此基础上,考虑冻土-结构接触界面及预制板间填缝处的协调变形与相互作用,引入端部边界条件及板间连续性条件,同时砂浆填缝处弯矩为零,将多块预制板联系起来,构建预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型。再由切向静力平衡条件导出切向控制方程并求解,最终获得衬砌板各截面法向冻胀位移与切向位移的解析表达式。以新疆北部某梯形渠道为例,对衬砌各截面法向冻胀位移、切向位移、接触面法向应力、切向冻结力及上表面应力进行计算。结果表明:本文模型计算的法向冻胀位移与观测值符合良好,与弹性支承法、杆系有限元法计算结果相比更接近观测值。上表面应力估算的易开裂范围与实地调查结果基本相符,表明了模型的合理性。由于存在不连续断面即砂浆填缝,衬砌板法向冻胀位移、接触面法向应力、截面弯矩和上表面应力均存在一定的起伏,出现正负交替现象。顶推力作用下坡板各截面均存在切向位移,且自坡脚向坡顶非线性减小,在坡顶达到最小值。

联合Winkler-Pasternak模型的冬季输水梯形渠道冻胀力学分析

为克服现有冬季输水梯形渠道冻胀力学模型未充分考虑冻结区与水下非冻结区差异,以及未考虑土体连续性的不足,该研究根据冻土与非冻土剪切刚度的不同,冻结区采用Pasternak双参数弹性地基梁模型,而非冻结区采用Winkler模型,综合Pasternak模型考虑土体连续性及Winkler模型易于求解、所需参数少的优点,提出联合Winkler-Pasternak模型的冬季输水梯形渠道冻胀力学分析方法。以新疆玛纳斯河流域某冬季输水梯形渠道为例,计算渠坡衬砌板法向变形,并将本文模型、Winkler模型、Pasternak模型计算结果与观测值进行了对比分析,最后计算了衬砌板截面弯矩及上表面应力分布。结果表明:衬砌板法向变形可分为冻胀段、沉降段及冻胀-沉降过渡段三个部分,三种模型计算结果均能较好地反映衬砌板法向位移基本变化趋势,且本文模型计算结果与实测值更加接近,表明了模型合理性。衬砌板易开裂位置位于冻土区距离水位线10.0%~23.3%坡板长处,与工程实际相符。该研究可为寒区冬季输水梯形渠道抗冻胀设计提供科学参考与理论依据。

基于弹性薄层接触模型研究衬砌渠道双膜防冻胀布设

渠道衬砌下双膜防渗层可解除渠基土冻结力,释放衬砌结构位移以适应不均匀冻胀,但会影响衬砌结构的刚度与稳定性。为研究最佳双膜防渗层布设形式及其适应性,考虑双膜防渗层接触本构及衬砌结构与渠基土的相互作用,依据基土水热力三场耦合理论建立了寒区衬砌渠道的冻胀模型,通过数值模拟仿真分析了不同断面及不同双膜防渗层布设形式的弧底梯形渠道衬砌的冻胀受力与变位。结果表明:宽浅断面渠道采用双膜衬砌结构时,膜间摩擦力过小造成刚度和稳定性严重降低以及衬砌拉应力增加。适当的膜间摩擦力可以解除部分冻结约束,调整局部不均匀冻胀,而且发挥弧底反拱作用不产生拉应力。采用PE膜与无纺布作为层间接触的双膜衬砌结构,冻胀位移方差减小25%,同时整体位移增加不超过0.2cm,削减冻胀应力50%以上。在不显著降低结构整体稳定性前提下,其整体刚度和结构强度提高程度最大,故同时适用于窄深渠道和宽浅渠道。研究为寒区衬砌渠道中双膜防渗层的合理布设提供科学依据。

寒区河湖与灌排渠道模袋混凝土护岸冻胀破坏机理

我国北方寒区河湖与灌排渠道护岸冻胀破坏普遍严重。卵砾石护底模袋混凝土衬砌护岸因施工方便获得广泛应用。但目前针对这种复合衬砌结构的冻胀破坏机理尚不明确,难于规范化设计。本文基于冻土水热力三场耦合理论,考虑衬砌与基土的界面相互作用建立了河渠护岸衬砌冻胀数值分析模型。以宁夏西干渠工程为例,对卵砾石护底的模袋混凝土、卵砾石护底的普通混凝土以及全断面混凝土三种典型衬砌形式的弧脚梯形渠道进行冻胀破坏分析和对比研究。结果表明,卵砾石护底的排水作用可使边坡基土冻前体积含水率和冻后体积含冰率分别减少约27.8%和30%;模袋及卵砾石护底削减了冻结约束和底板约束,使坡板拉应力减少20%~70%,冻胀量削减约30%,不均匀冻胀量减少约50%;模袋混凝土护岸冻胀破坏表现出混凝土开裂、模袋达到比例极限、模袋达到极限强度的三个阶段,在混凝土开裂后模袋仍具备较强的承拉能力使护岸衬砌仍能承受冻胀发展并防止滑塌失稳破坏,当以模袋拉应力达到比例极限为失效准则时,抗冻胀能力提高约47.1%,负温抵抗能力提高约30%。此项研究可为我国北方寒区浅埋地下水河渠护岸采用卵砾石护底模袋混凝土衬砌提供设计手段与合理依据。

大型弧底梯形渠道“适缝”防冻胀机理及应用研究

旱寒区渠道工程上预先在衬砌板易产生裂缝处顺其自然设置纵缝,以防止冻胀破坏。为探明这种纵缝设置的防冻胀机理及其最佳布设形式,基于冻土水-热-力三场耦合理论,考虑纵缝填充的接触本构及衬砌-冻土相互作用,建立了旱寒区常用的大型窄深式弧底梯形渠道冻胀仿真分析模型,以衬砌板上下表面沿周长正应力分布均匀度为一级指标,以其截面正应力满足强度要求为二级指标,对纵缝设置位置、宽度、个数及其组合削减渠道冻胀效果进行了研究。结果表明:弧底衬砌板属于薄拱结构,渠坡板为梁结构,纵缝为可移动弹性铰;纵缝位置及宽度的变化不断调整拱-梁结构的刚度及弹性铰的约束刚度,以适应基土冻胀变形,使衬砌板表面应力均匀化,从而削减冻胀;但纵缝过宽会过度削弱弧底拱效应,使弧底中心和坡板上表面及坡脚下表面拉应力过大,易导致冻胀破坏;单独设缝时坡脚位置设缝防冻胀效果最好,而组合设缝削减冻胀效果更优,尤其是坡脚与坡板组合设缝。以新疆某供水渠道为例,采用坡脚与坡板1/4、3/4处组合设缝,缝宽取1 cm,可满足两级指标,削减冻胀效果最优,可为旱寒区大型渠道防冻胀合理布设纵缝(适缝)提供科学依据。

冰盖输水衬砌渠道冰冻破坏统一力学模型

随着城市供水与生态需水要求的提高,寒冷地区输水渠道冬季运行成为常态,目前冬季运行渠道抗冰冻破坏尚无评价准则与结构设计方法。针对此,基于冬季不输水渠道衬砌结构冻胀破坏的弹性地基梁模型,考虑冰推力、冰约束及渠基土冻胀力对结构的共同作用,在结构破坏的极限平衡状态下,推导得到冬季输水渠道冰盖运行工况下衬砌结构内力计算、应力计算及抗裂准则的解析表达式。通过静冰荷载影响系数、静水压力影响系数和冰冻荷载耦合系数的变化,可统一冬季有无冰盖输水及停水3种典型工况下衬砌结构内力、应力分布计算,进一步提出寒区衬砌渠道冰-冻破坏统一力学模型。以新疆某梯形渠道为研究原型,通过对衬砌坡板内力、应力及冰拔力计算分析,得到冰-冻破坏截面位置和各截面受力的分布规律。对无冰盖输水、带冰盖输水和无冰盖不输水3种典型梯形渠道力学模型进行内力计算对比分析表明,截面最大拉应力极大值分别为4.186、2.447和2.208 MPa,冬季无冰盖输水渠道冰冻破坏最严重(控制工况),无冰盖不输水冰冻破坏最轻,而冰盖运行介于两者中间,三者冰冻破坏规律差异较大。因此,在冬季输水衬砌渠道抗冰-冻设计中建议综合考虑3种典型工况,并按其破坏规律和力学模型进行安全性评价。

实测堰流精度效应影响下的泄流计算方法研究

【目的】明确直角堰在不同结构布置选型下的超泄特性与其大小关系。【方法】针对简化综合流量系数假设下,基本堰流关系模型率定中的短系列多元回归处理范式使用局限问题,由试验统计特征下的不同实测堰流精度率定结果发现了短系列因果映射关系中的实测堰流精度统计效应,进而建立了多维可变堰流特征变量模糊概率关联分布识别和实测堰流精度效应下的一致性泄流响应机制。【结果】超泄特征变量前后堰宽比a/c、侧堰长度b和展宽比L/W参与的多元短系列泄流计算是一种区别于传统直线型断面因果映射关系模型的多维可变模糊概率关联分布响应;从算法机理的角度揭示了相同堰顶水头H下,前后堰宽比a/c、侧堰长度b和展宽比L/W对于指标测流量[Q’cr]的表征贡献无先后大小之分,具有同等显著地位。【结论】综合现有文献成果中不同短系列实测堰流精度样本的应用率定与验证表明,方法计算结果和试验统计结果一致性较好,研究成果可为相关工程的复核设计提供参考。

温-水-土-结构耦合作用下寒区梯形衬砌渠道结构形体优化

为提高寒区大型梯形渠道结构输水及抗冻胀破坏能力,采用分层序列法构建渠道断面水力与抗冻胀双目标优化方法。为准确反映温、水、土等外环境与衬砌结构耦合作用所导致的渠道冻胀变形过程,基于冻土水-热-力耦合冻胀理论建立了衬砌渠道冻胀分析模型。以水力最优为第1层次优化,以所得形体几何参数作为抗冻胀优化的解集空间;在第2层次的抗冻胀优化过程中提出了衬砌结构整体刚度指标,并以整体刚度指标最小作为优化目标,以衬砌允许最大法向位移和拉应力作为约束条件;通过COMSOL软件二次开发对冻胀模型控制方程进行有限元求解。工程算例表明:优化结果体现了对渠道行水和衬砌抗冻胀的改进;与原设计相比,优化后渠道结构整体刚度系数减小30%~48%,提高了对冻胀变形的适应能力。该方法可为类似工程设计提供参考。

考虑冰盖生消和冰-结构-冻土协同作用的渠道弹性地基梁模型

冰-冻破坏是寒区冬季输水渠道结构破坏的主要原因,而目前尚缺乏准确的分析方法和评价准则。本文从冰盖生消过程中结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构冰冻破坏机理出发,考虑在冰-结构-冻土协同作用下,基于弹性地基梁Winkler理论推导了衬砌结构的挠曲线微分方程,分别建立了3个阶段衬砌结构的冰冻破坏力学模型,并结合相应荷载组合和边界条件对模型求解获得了衬砌结构的挠度、内力和应力的解析表达。应用该模型对南水北调京石段某输水渠道进行冰冻破坏分析计算,结果表明:结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构的法向冻胀位移最大值分别为10.62、13.89和5.05 cm,对应3个阶段衬砌结构的截面最大拉应力分别为3.63、4.11和2.05 MPa,且破坏位置均在冻结区坡板的中下部,与现场监测渠道冰冻破坏分布规律吻合。据此,建议寒区冬季输水渠道控制运用中应尽量缩短结冰初期、流冰期时间,延长第3阶段稳定封冻期时间,同时应合理控制地下水位和冰盖厚度。研究结果可为寒区冬季输水渠道抗冰冻设计提供理论依据和分析方法。

基于双参数弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

为克服已有梯形渠道弹性地基梁模型未考虑土体连续性及需要预先假定切向冻结力分布的不足,该研究在Winkler模型的基础上,用土弹簧的伸缩来描述法向冻胀力与法向冻结力,引入剪切层和接触界面层构建了梯形渠道双参数冻土地基梁模型。通过引入剪切层考虑土弹簧间的相互作用,引入接触界面层把切向冻结力计算纳入模型中一体化求解。以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为例,计算了衬砌板法向冻胀位移,并将计算值与Winkler模型、有限元法计算结果及试验值进行对比分析,最后对衬砌板各点切向位移及切向冻结力分布进行计算。结果表明:本文模型计算值与Winkler模型、有限元法计算结果的总体变化趋势一致,且与试验值更加接近,当剪切系数g=0时双参数模型则退化为Winkler模型,验证了模型合理性;衬砌板各点切向位移及切向冻结力呈非线性分布,且随切向刚度增大,各点切向位移总体呈减小趋势,与实际相符。本研究可为梯形渠道抗冻胀设计提供参考。

基于广义Winkler弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

寒区渠道衬砌冻胀破坏现象普遍,而渠道的防冻工程设计大多依赖工程实践经验和定性认识,具有一定的随意性和盲目性,对衬砌结构所受的冻胀力计算缺乏简明、合理的方法。考虑冻土与衬砌的相互作用和冻土地基的连续性,基于广义Winkler地基梁理论并结合有限差分法,推导了渠道衬砌板冻胀挠曲线微分方程,建立了梯形渠道冻胀力学模型,给出了衬砌渠道法向冻胀力及切向冻结力的计算方法。同时,考虑渠道衬砌冻胀破坏的极限承载力以及冻胀过程中坡脚上抬位移对实际冻胀力的削减和释放效应,避免了冻胀力及衬砌结构内力计算值过大。为验证模型的合理性,以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为研究对象,对其进行冻胀破坏计算。结果表明:模型由于考虑了衬砌结构与冻土间的相互作用,渠道衬砌板法向冻胀力呈非线性分布,修正了工程力学模型线性分布假设;与工程力学模型相比,冻胀力数值在坡脚处增大、跨中减小、底板上增大,计算结果更符合工程实际。研究提出的冻胀力学模型科学合理,简便快捷,具有更好的通用性,可为寒区渠道的抗冻胀设计提供参考。