单位文秘网 2021-07-26 08:21:09 点击: 次
摘 要:本文针对旱寒地区装配式灌溉渠道渗漏冻胀破坏的问题,综述了目前渠道防渗抗冻胀技术的研究动态,诸如防渗抗冻胀新型材料、结构型式、冻胀理论机理、力学模型及数值模拟的发展状况,提出了对不同结构型式新型复合材料渠道防渗抗冻胀建立力学模型进行数值模拟分析;综合考虑各种因素对渠道防渗抗冻胀研究的分析;对减小或消除冻土消融期渠道不均匀沉降的分析,为渠道防渗抗冻胀破坏的进一步研究提供参考价值。
关键词:渠道防渗抗冻性;结构型式;力学模型;数值模拟
中图分类号:TV732.6 文献标识码:A DOI:10.11974/nyyjs.20180631080
引言
西北地区冬季严寒而干燥,气温极低,渠道衬砌工程出现严重的冻害问题,严重影响了渠道输水效率,缩短了使用寿命,增加了灌溉成本,制约着节水灌溉技术的发展。如何改进削弱装配式渠道渗漏和冻胀破坏的技术,提高输水效率,减少水资源流失,对于发展节水农业尤为重要。
1 国内外研究动态
1.1 新型防渗抗冻胀材料研究
1.1.1 膨润土毯
膨润土毯是新型复合土工合成材料,周春生采用了室内试验研究了不同浓度膨润土毯的防渗效果,矿化度小于5g/L时膨胀量较大,防渗效果明显增强[1];实践表明,膨润土毯使输水渗漏降低了47.3%[2],严寒地区,冻土融化后渠道衬砌板底部没有残余变形,装配式混凝土衬砌渠道底部铺设膨润土毯可以适应冻胀变形,减轻渠道冻胀破坏。
1.1.2 土壤固化剂
土壤固化剂使得黄土抗冻等级为F18,渗透系数大大减小。张丽娟通过试验得出,与普通土相比,石灰、土壤固化剂分别为6%和0.3L/m3时,渗透系数可降低2~3个数量级[3];试验表明,预制段渠道冻深低于现浇段,现浇段冻胀量低于预制段,阳坡冻胀量低于阴坡,土壤固化剂是渠道渗漏减小51.2%[4],成本偏高。
1.1.3 复合材料
宁夏灌区最早使用了竹塑复合材料衬砌渠道,通过对混凝土和竹塑复合材料对比分析,竹塑复合材料渠道使得輸水效率提高50%,大大减小渗漏损失;顾靖超[5]通过试验观测气温、地温和渠道变形量等因素,指出在冻融期竹塑复合材料渠道中最大垂直位移为13.3mm,最大水平位移为8.8mm,切向冻胀力对渠道无破坏影响,冻土融化后最大残余变形不足0.3%,竹塑复合材料能够适应季节性冻土地区渠道冻胀变形,防止渠道发生冻胀破坏。
资料表明,玻璃钢复合材料有高强度、耐腐蚀、不易老化、不渗漏、耐低温、抗疲劳的特点。闫长城等[6]把渠基土和衬砌板作为整体用有限元法分析了温度、位移、应力应变场,玻璃钢衬砌渠道使得渠道冻胀变位和冻胀力更为均匀;程传胜[7]仅把衬砌板作为研究对象,运用ADINA软件分析表明玻璃钢材料衬砌渠道阴、阳坡最大冻胀变形比混凝土增加27.0%,而冻胀变形变化率大大减小,使得变形更为均匀,等效应力和法向冻胀力减少了40%,削减了渠道的冻胀破坏。
1.2 装配式渠道结构型式研究
1.2.1 梯形结构渠道
梯形结构是最传统的渠道截面型式,许多学者建立了混凝土梯形渠道的冻胀破坏的力学模型,把渠坡板看作偏心受压构件,底板看作压弯构件[8,9,10],随着冻胀程度加剧,渠顶法向冻结力、渠坡切向冻结力和衬砌板与渠基土间的摩擦力逐渐增大,使得拉应力和弯矩作用于渠道衬砌板,由于混凝土材料弹性小,抗拉强度低,致使混凝土衬砌渠道发生冻胀破坏。
1.2.2 弧底和弧形坡脚梯形结构渠道
相较于梯形结构,弧底梯形结构没有明显突变,很大程度上改善坡脚处冻土对衬砌板的约束,使得冻胀变形的大小和方向都具有连续性,衬砌板整体冻胀量均匀分布,而渠底冻胀不均匀系数偏大,弧形渠底呈反拱状,有较大的承载力,在法向力作用下产生轴向压力,使得冻土消融后复位能力变强,冻胀量剩余很小[11,12];当边坡倾角较大时,渠坡板向渠内侧倾斜位移变形变大,冻融后变形很难恢复原状,长期累积就会发生严重的冻胀破坏[13]。
弧形坡脚梯形结构的渠底冻胀力和冻胀变形不均勾系数比,弧底梯形结构渠道小,且冻胀消融后几乎没有剩余冻胀量,冻胀破坏很难发生[14]。
1.2.3 U型结构渠道
运用力学模型和热耦合模型分析U型混凝土衬砌渠道抗冻胀效果,得出其冻胀变形呈不均匀分布[15,16]。弧板中部冻胀变形大,由于混凝土刚度小,弯矩最大处衬砌弧板的拉应力大于混凝土的极限承载力时,衬砌板结构就会产生破坏裂缝,法向冻胀力就会导致会衬砌板隆起、架空或断裂,在挖方、半挖半填或者地下水位相对较高的渠段更为突出,冻融循环周期后就会出现不同程度的冻胀破坏[31-33]。
1.3 冻胀理论的机理、力学模型及数值模拟
1.3.1 冻土的冻胀机理和物理力学特性
国外Everett[17]最早提出了定量分析冻胀和冻胀力的毛细理论的第一冻胀理论,Miller[18]克服了毛细理论的不足,提出了冻结缘理论,为建立冻土数值模型提供了依据。由于预报土体冻结过程中的水流、冻胀、温度等因素的分凝势模型和刚性冰模型,只适用于稳定热条件和大量参数未定[19],限制了模型的应用。
国内王希尧[20]最早得出影响基土冻胀的4个因素为土质、水分、温度和外荷载,但未分析各因素间的关系,随后,学者在影响土体冻胀四因素增加了盐分因素,得出了土体冻胀机理——考虑土体中初始含水量、温度、压力、盐类及含量因素的未冻土水含量综合预报模型。李宁[21]考虑了土骨架与冰颗粒相互作用的冻土介质特殊有效应力原理,建立了水、热、力与变形真正耦合控制方程,包含冻土中骨架、冰、水和气四相介质。
1.3.2 抗冻胀破坏力学模型及试验研究
国内很多单位都对混凝土衬砌渠道冻胀破坏的力学模型做了较深研究与探讨。余书超[22]等把衬砌板看作为仅在切向冻胀力作用下的偏心受压杆件,但没有考虑因土体冻胀产生法向冻胀力的作用,不符合实际情况。王正中[8]把梯形结构型式衬砌板简化为简支梁受力结构,约束为法向冻胀力、法向冻结力和切向冻结力;王正中[11]弧底梯形结构型式衬砌板为法向冻胀力对称分布、重力作用和切向冻结力约束的静力平衡拱形结构。李学军[16]等对大U形渠道的地域气温、地温、渠基土体含水率、冻结土深度和衬砌板冻胀变形量进行长期冻胀试验观测,统计了大量试验数据,得出了渠道衬砌板发生冻胀破坏的时间和原因,用数理统计和数值分析反计算方法建立了渠道冻胀破坏结构的定量模型,综合考虑混凝土材料的抗拉强度、极限拉伸变形能力和抗拉弹性模量等指标,得出渠道衬砌板厚度和冻胀控制内力的计算方法。
李翠玲[23]把U型渠道衬砌弧板优化为薄壳拱形结构,呈上小下大线性分布的法向冻胀力和切向冻结力和重力共同作用的两端简支梁,以静力平衡为条件计算求得法向冻胀力和切向冻结力,进而用截面法求得弧板上任一截面的内力。
1.3.3 数值模拟
学者把渠基土看作单一土质均匀连续各向同性体,不考虑水分迁移,王正中[11]、张茹[24] 以冻结土体土和衬砌板为一体,运用有限元ANSYS软件分别对梯形结构、弧底梯形结构、U型结构混凝土渠道衬砌板进行热应力耦合模拟计算,得出阳坡的温度梯度小于阴坡,阳坡的冻深小于阴坡,冻胀变位阳坡最小,底部次之,阴坡最大,衬砌板向内侧倾移,整体发生上抬、向阳坡产生较小的偏转;阴坡和阳坡切向冻结力自上而下逐渐加大,底部最大,方向均斜向下指向衬砌板;弧底梯形结构和U型结构切向冻结力在弧底两侧由上至下均匀减小,底部偏阳坡面为零,阳坡小于阴坡,方向斜向下指向弧底部。
陈立杰[25]、刘旭东[26]以同样假设采用有限元ADINA软件进行仿真计算,得出衬砌板的冻胀位移、法向冻胀力和切向冻胀力分布规律相同;程传胜[7]、高靖[27]以衬砌板为研究对象,采用有限元ADINA软件进行仿真计算分析,得到同样的结论,且新型复合材料玻璃钢U型渠道有很强的适应变形能力,减轻渠道的冻胀破坏。
2 发展趋势
对于新型复合材料不同结构型式渠道防渗抗冻胀指标长期试验观测预报,建立更为有效合理的力学模型,进行数值模拟仿真分析;影响渠道防渗抗冻胀的因素很多,应加强综合考虑各种因素对渠道抗冻胀的分析;对冻土消融期如何减小或消除装配式渠道的不均匀沉降研究,减小渠道冻胀破坏。
参考文献
[1]周春生,柴建华,史海滨,等.水质对膨润土防水毯防渗效果影响研究[J].节水灌溉,2006(6):27-30.
[2]程滿金,丰湖,王俊英,等.润土防水毯新材料在衬砌渠道中的应用研究[J].节水灌溉,2010(5):46-49.
[3]张丽娟,汪益敏,陈页开,等.ISS土壤固化剂在渠道防渗中的试验研究[J].中国农村水利水电,2004(6):18-21.
[4]程满金,步丰湖,王俊英,等.土壤固化剂新材料在衬砌渠道中的应用研究[J].节水灌溉,2010(4):33-36.
[5]顾靖超,陆立国.竹塑渠道变形及防冻胀试验研究[J].人民黄河,2013(1):96-98.
[6]闫长城,王正中,刘旭东,等.季节性冻土区玻璃钢防渗渠道抗冻胀性能初探[J].人民黄河,2011(3):140-142.
[7]程传胜,田军仓,王斌,等.旱寒地区U形玻璃钢和混凝土渠道抗冻胀性能的研究[J].水资源与水工程学报,2016, 26(6):173-177.
[8]王正中.梯形渠道砼衬砌冻胀破坏的力学模型研究[J].农业工程学报,2004(3):24-29.
[9]肖旻,李寿宁,贺兴宏.梯形渠道砼衬砌冻胀破坏力学分析[J].灌溉排水学报,2011(1):89-93.
[10]孙杲辰,王正中,王文杰,等.梯形渠道砼衬砌体冻胀破坏断裂力学模型及应用[J].农业工程学报,2013(8):108-114.
[11]王正中,李甲林,陈涛,等.弧底梯形渠道砼衬砌冻胀破坏的力学模型研究[J].农业工程学报,2008(1):18-22.
[12]宋玲,余书超.弧形底梯形渠道受力特征及设计方法研究[J].人民黄河,2010(8):126-127.
[13]樊贵盛,张永辉.弧形底梯形渠道混凝土衬砌板下温度与气温间的关系研究[J].太原理工大学学报,2010(3):278-282.
[14]芦琴,刘计良,王正中,陈立杰,韩彦宝,刘旭东.弧形坡脚梯形渠道砼衬砌冻胀破坏的力学模型研究[J].西北农林科技大学学报(自然科学版),2009(12):213-217.
[15]陈涛,王正中,张爱军.大U形渠道冻胀机理试验研究[J].灌溉排水学报,2006(2):8-10.
[16]李学军,费良军,李改琴.大型 U 形混凝土衬砌渠道季节性冻融水热耦合模型研究[J].农业工程学报,2008(1): 13-17.
[17] Everett D H.The thermodynamics of frost damage to porous solids[J].Trans.Faraday Soc,1961(57):1541-1551.
[18] Miller R D.Lenshiitiationin Seeond Frost Heaving[M].Sweden,1977:143-151.
[19] Koad J M, Duquennoi C. A model for water transport and ice lensing in freezing soils[J]. Water Resources Research, 1993,29(9):3109-3124.
[20]王希尧,关于渠道衬砌冻害的初步分析[J].水利水电技术,1979:39-41.
[21]李宁,徐彬,陈飞熊.冻土路基温度场、变形场和应力场的耦合分析[J].中国公路学报,2006(3):1-7.
[22]余书超,宋玲,欧阳辉,等.渠道刚性衬砌层(板)冻胀受力试验与防冻胀破坏研究[J].冰川冻土,2002(5):639-641.
[23]李翠玲,王红雨.两拼式U形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏力学模型[J].农村水利水电,2014(5):86-89.
[24]张茹,王正中,牟声远,等.基于横观各项同性冻土的U形渠道冻胀数值模拟[J].应用基础与工程科学学报,2010(5): 773-783.
[25]陈立杰,蔡雪雁,王正中,等.复合土工膜与纳米混凝土衬砌渠道冻胀模拟[J].中国农村水利水电,2010(5):106-109.
[26]刘旭东,王正中,陈立杰.渠道冻胀敏感性数值模拟分析[J].节水灌溉,2010(5):18-21.
[27]高靖,田军仓,王斌.装配式U型混凝土渠道抗冻有限元模型及数值模拟研究[J].灌溉排水学报,2015,4(4):38-42.
作者简介:程传胜(1989-),男,河南新乡人,硕士研究生,研究方向:土地工程和节水灌溉技术开发研究。
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