基于数值模拟的quot;适变断面quot;衬砌渠道抗冻胀机理探讨.pdf

第26卷第12期 农业工程学报 Vbl．26No．12 6 2010年12月 TransactionsoftheCSAE Dec．2010 基于数值模拟的“适变断面衬砌渠道抗冻胀机理探讨 刘旭东1”，王正中1,2-※，闫长城1，李甲林1’3 (1．西北农林科技大学水工程安全与病害防治研究中心，杨凌712100；2．中国科学院冻土工程 国家重点实验室，兰州730000；3．甘肃省水利厅，兰州730000；4．吴江市水利局，吴江215200) 摘要：能适应渠基冻胀变形的衬砌渠道简称“适变断面”渠道。为了探明其抗冻胀机理及削减冻胀效果，应用ADlNA 软件对混凝土衬砌“适变断面”渠道冻胀进行数值模拟，计算渠道冻胀的温度场、变形场和应力场，研究衬砌板应力和 变形规律，并与弧形坡脚梯形渠道比较分析表明：“适变断面”渠道能降低最大法向冻胀量55．11％、最大法向冻胀力 51．65％、最大切向冻结力56．85％；通过冻胀量均方差及冻胀力分析比较，“适变断面”使渠道受力状态得到显著改善， 冻胀变形分布更加均匀；衬砌板法向错位值总计1．3enl，纵向伸缩缝周向压缩值总计为9．7锄，揭示了“适变断面”渠 道利用宽纵缝既能释放衬砌板法向冻胀变位，又能吸收周向冻胀变位，从而适应渠基冻胀变形减轻冻害的抗冻胀机理。 最后通过模拟计算了“适变断面”渠道冻胀量均方差对边坡系数的敏感性，指出边坡系数i约为l：1．7～l：1．4时，“适 变断面”渠道抗冻胀效果很显著，为“适变断面”渠道的推广及优化设计提供了参考。 关键词：数值分析，渠道衬砌，试验，适变断面渠道，宽纵缝，抗冻胀机理 doi．10．3969a．issn．1002—6819．2010．12．002 中图分类号：$277，TV698．2+6文献标志码：A 刘旭东，王正中，闰长城，等．基于数值模拟的“适变断面”衬砌渠道抗冻胀机理探讨[J】．农业工程学报，2010，26(12)： 6—12． Liu Onanti-frostheavemechanism calla[ a1．Exploration ofself-adjustinglining Xudong，WangZhengzhong，YanChangcheng，et basedon ofthe Chinesewith computersimulation[J]．TransactionsCSAE，2010，26(12)：6一12．(inEnglishabstract) 文参考文献[4—9】提出的分析方法，视基土冻胀为“热缩 0引言 冷胀”的特殊材料，应用有限元软件ADINA对“适变 渠道防渗工程技术是为减少渠基渗漏及保护渠坡提 断面”渠道冻胀进行数值模拟，计算温度场、变形场及 高管理水平而采取的工程技术措施。在东北永久性冻土 应力场，探求“适变断面”渠道冻胀的受力及变形规律， 地区和华北、西北季节性冻土地区，因地下水位高及渗 以期为“适变断面”渠道的推广应用及优化设计提供参 漏而产生的渠道冻胀破坏非常普遍。 考。 针对渠道冻胀破坏问题，中国经过多年的研究及实 1 “适变断面”渠道简介 践，对其进行了系统的理论分析【ld21，并提出了“允许一 定冻胀位移量”的工程设计标准和“回避、适应、削减或 根据文献[16】，“适变断面”渠道结构形式如图1所 消除冻胀”的防冻害原则和技术措施【l31。例如架空式渠槽、 示。“适变断面”即能适应一定冻胀变形的渠道衬砌断面 “以柔克刚，适应变形”的沥青混凝土衬砌16J，弧底梯形、