發(fā)布時(shí)間：2021-04-11 01:04

　　季凍區(qū)土壤水分在負(fù)溫梯度作用下,發(fā)生遷移、相變,土體體積膨脹致使渠道襯砌在不均勻凍脹作用下發(fā)生開裂、上抬和變形等凍脹破壞,嚴(yán)重影響工程正常運(yùn)行,造成灌溉水的浪費(fèi)。研究渠道凍脹破壞機(jī)制和特征,提出有效抗凍脹措施,對渠道設(shè)計(jì)選型以及灌區(qū)節(jié)水灌溉發(fā)展具有實(shí)際意義。針對季凍區(qū)整體式U形渠道的水-熱-力耦合過程和凍脹破壞特征研究不足的問題,基于凍脹理論與凍脹耦合模型理論,構(gòu)建了整體式U形渠道凍脹力學(xué)模型,通過室內(nèi)土柱單向凍結(jié)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水-熱-力耦合模型;利用有限元軟件COMSOL Multiphysics模擬原型渠道的凍脹過程,綜合考慮凍脹破壞影響因素,優(yōu)選傾角斷面,提出合理施工建議,得到主要結(jié)論如下:（1）建立整體式U形渠道凍脹破壞力學(xué)模型,在襯砌達(dá)到極限破壞狀態(tài)下,經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算、內(nèi)力計(jì)算和混凝土板抗裂驗(yàn)算,反算得到襯砌極限切向凍結(jié)切應(yīng)力,提出極限切向凍結(jié)切應(yīng)力-傾角計(jì)算公式,聯(lián)立切向凍結(jié)力經(jīng)驗(yàn)公式,根據(jù)渠基土土質(zhì)、混凝土襯砌強(qiáng)度和厚度計(jì)算渠道極限抗凍脹傾角。該方法簡化了抗凍脹傾角求解過程,計(jì)算方便。（2）建立水-熱-力三場耦合模型,通過土壤凍結(jié)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行率定和驗(yàn)證,得到內(nèi)蒙古河套亞黏土的凍結(jié)溫... 

【文章來源】：西北農(nóng)林科技大學(xué)陜西省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：73 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

中國凍土分布（LiShuangyang，2015）

西北農(nóng)林科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2作用十分敏感，適應(yīng)拉伸變形和不均勻變形能力較差。經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，灌區(qū)內(nèi)渠道襯砌厚度范圍主要為5~10cm，而渠基土凍脹量最大可達(dá)10~20cm，超出了混凝土的變形范圍從而產(chǎn)生開裂等破壞。此外，灌區(qū)常年引水灌溉，渠道基土初始含水量較大，地下水位較高(夏玉紅等2007)，因而造成渠道凍脹問題非常突出；采用常規(guī)的防滲防凍脹措施，往往不能有效地解決凍脹與襯砌穩(wěn)定問題，破壞造成維修費(fèi)用增加，甚至重復(fù)投資進(jìn)行改建，嚴(yán)重影響了渠道功能的發(fā)揮，不僅浪費(fèi)了大量的財(cái)力物力，而且浪費(fèi)了寶貴的水資源。所以渠道襯砌的凍脹破壞問題要從根本上得到解決，進(jìn)一步挖掘渠道節(jié)水潛力，對緩解水資源供需矛盾以及灌區(qū)節(jié)水灌溉發(fā)展具有重要意義(何武全和劉群昌2009)。圖1-1中國凍土分布（LiShuangyang，2015）Fig.1-1DistributionmapoffrozensoilinChina（LiShuangyang，2015）圖1-2凍脹破壞（下載于網(wǎng)絡(luò)）Fig.1-2Damageoffrostheave（Downloadontheweb）1.2研究目的及意義整體式U形渠道具有整體性和抗變形能力強(qiáng)、水利條件好等特點(diǎn)，但是傾角較小的渠道襯砌凍脹破壞嚴(yán)重；而渠道傾角過大，又影響過水能力和占地面積。所以，通過

西北農(nóng)林科技大學(xué)碩士學(xué)位論文10圖2-1凍脹示意圖Fig.2-1Aschematicoffrostheave2.1.2渠道整體上抬如圖2-2所示，負(fù)溫下渠基土受凍脹影響發(fā)生隆起，下部凍脹明顯，上部和邊坡基土凍脹較校下部基土產(chǎn)生的凍脹力將渠道襯砌頂起，渠道底部上表面受拉，由于襯砌弧段呈反拱，將一部分凍脹力分解為軸力，因此渠底部較易產(chǎn)生裂縫(呂步錦和王紅雨2017)。襯砌整體隨基土一起凍脹變形而發(fā)生上抬，當(dāng)處于消融期，溫度升高，基土內(nèi)冰晶體逐漸融化，基土膨脹逐漸收縮，凍脹力隨之減小，渠道襯砌在自身重力作用下，緩慢復(fù)位或發(fā)生沉降。渠道襯砌整體上抬對渠道結(jié)構(gòu)安全影響較小，襯砌能夠自然復(fù)位，基本滿足正常輸水的要求。圖2-2整體式U形渠道整體上抬Fig.2-2OverallelevationofintegralU-shapedcanal2.1.3渠道邊坡開裂如圖2-3所示，渠道中下部基土凍脹顯著，襯砌受到較大的凍脹力，襯砌底部弧板呈明顯的反拱作用，可將凍脹力進(jìn)行分解，從而削減凍脹；而邊坡為直板，不再具有拱

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]大型弧底梯形渠道“適縫”防凍脹機(jī)理及應(yīng)用研究[J]. 江浩源,王正中,王羿,劉銓鴻,葛建銳.  水利學(xué)報(bào). 2019(08)
[2]“U”型渠道凍脹力力學(xué)計(jì)算研究[J]. 李學(xué)生.  陜西水利. 2019(06)
[3]溫-水-土-結(jié)構(gòu)耦合作用下寒區(qū)梯形襯砌渠道結(jié)構(gòu)形體優(yōu)化[J]. 王羿,劉瑾程,劉銓鴻,王正中.  清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2019(08)
[4]寒旱區(qū)梯形渠道襯砌凍脹破壞數(shù)值模擬[J]. 張海晨,李振,張茂林,姚志鵬,朱興林,王銘巖.  人民黃河. 2019(03)
[5]不同地下水位下渠基凍脹規(guī)律與保溫板適宜厚度確定[J]. 郭富強(qiáng),史海濱,程滿金,高文慧.  農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào). 2018(19)
[6]寒區(qū)弧底梯形襯砌渠道凍脹破壞的尺寸效應(yīng)研究[J]. 王正中,劉少軍,王羿,劉銓鴻,葛建銳.  水利學(xué)報(bào). 2018(07)
[7]混凝土襯砌渠道置換防凍脹標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)模式[J]. 王洪波.  科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新. 2018(11)
[8]坡角對U型渠道襯砌凍脹變形的影響[J]. 曹谷,高建陽,湯桂梅.  水利規(guī)劃與設(shè)計(jì). 2017(07)
[9]農(nóng)業(yè)水資源現(xiàn)狀與節(jié)約利用[J]. 郭蘭英.  現(xiàn)代農(nóng)村科技. 2017(03)
[10]寧夏引黃灌區(qū)小型U形渠道混凝土襯砌凍脹監(jiān)測與分析[J]. 呂步錦,王紅雨.  寧夏工程技術(shù). 2017(01)

博士論文
[1]基于水文過程的作物生產(chǎn)水足跡量化方法研究[D]. 欒曉波.中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心) 2018
[2]渠道襯砌凍脹破壞力學(xué)模型及防凍脹結(jié)構(gòu)研究[D]. 李甲林.西北農(nóng)林科技大學(xué) 2009

碩士論文
[1]考慮接觸力學(xué)行為的U型渠道凍脹數(shù)值模擬與襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D]. 高鳳.西北農(nóng)林科技大學(xué) 2016
[2]寧夏引黃灌區(qū)小型U形混凝土襯砌渠道凍脹監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析[D]. 呂步錦.寧夏大學(xué) 2016
[3]裝配式U型混凝土渠道襯砌鋼模具數(shù)值模擬研究[D]. 程傳勝.寧夏大學(xué) 2016
[4]考慮水分相變的渠道凍脹數(shù)值模擬研究[D]. 孫洪寶.西北農(nóng)林科技大學(xué) 2015
[5]寒區(qū)混凝土防滲渠道保溫防凍脹措施保溫層合理厚度研究[D]. 劉志斌.石河子大學(xué) 2013
[6]砼襯砌渠道凍脹破壞斷裂力學(xué)模型及數(shù)值模擬研究[D]. 孫杲辰.西北農(nóng)林科技大學(xué) 2013
[7]弧底梯形混凝土襯砌渠道凍脹力學(xué)模型及數(shù)值模擬[D]. 李超.石河子大學(xué) 2010
[8]大U形混凝土襯砌渠道凍脹破壞力學(xué)模型及數(shù)值模擬[D]. 張茹.西北農(nóng)林科技大學(xué) 2007
[9]砼襯砌渠道凍脹破壞力學(xué)模型及應(yīng)用[D]. 陳濤.西北農(nóng)林科技大學(xué) 2004



本文編號：3130660