寒区混凝土防渗渠道保温防冻胀措施保温层合理厚度研究

摘要

目前,渠道防渗是我国节水工程中最常用的措施,并且取得了良好的效果,然而在我国北方地区,渠道工程往往会遭受到冻害的影响,由于大部分渠道防渗都采用混凝土板,其属于刚性材料,其抗拉能力比较小,所以在遭受冻胀的时候很容易发生破坏,渠道工程冻胀防治是目前北方大部分灌区在水利建设工程中亟待解决的问题。保温板保温防冻胀措施是近几年来才发展起来的一种措施,具体的铺设厚度目前还不能明确的确定,很容易造成设计-施工-再设计的循环格局,这样一来就会造成很多不必要的浪费。本文通过理论和计算机模拟的方法,寻求找到保温板铺设厚度的规律,以期对以后的设计能有一定的指导作用。
　　论文进行的主要工作以及取得的成果包括以下几点:
　　(1)主要针对渠道冻胀的研究概况、渠道冻胀的防治措施以及国内外渠道冻胀进展三个方面系统的总结了渠道冻胀的研究现状。
　　(2)分析阐述毛细理论、第二冻胀理论、分凝冻结等冻胀机制理论,分别对土基质、水分条件、温度条件、附加荷载、土密度及渠道走向等渠道冻胀主要影响因素进行分析,并就不同结构形式如梯形、弧底梯形、U形、弧形坡角梯形混凝土衬砌渠道破坏特征进一步分析。
　　(3)基于有限元理论,以甘肃靖会总干梯形与弧底梯形渠道以及宝鸡峡灌区源下北干渠为实例建立模型。通过ANSYS有限元软件对渠道冻胀的温度场、应力场以及位移场进行模拟,并将模拟结果和实测结果进行对比,并在此基础上,验证了设置不同厚度的保温板对渠道抗冻胀取得的效果,阴阳两坡的温度分布有明显差异,阴坡的温度梯度大于阳坡的温度梯度,各坡冻深分布状况与温度分布规律基本相同,从而使阴坡及渠底冻深大于阳坡;渠道阴坡变位值最大,阳坡和渠底很小,渠底几乎没有,阴坡向渠内侧倾移较明显,渠道在冻胀作用下发生整体上抬和朝向阳坡的微小偏转。
　　(4)通过无保温措施衬砌与铺设保温板保温的衬砌两种情况模拟分析对比,可以发现,保温板导热系数小,能有效阻止或减缓负温进入渠基土,提高了基土温度,从而减轻了渠道衬砌的破坏。从应力和变形上看,冻胀量也大大减小,最易产生裂缝的坡角位置应力值也明显减小到了允许值以内。通过对不同厚度保温板保温模型模拟分析,得出了针对该渠段在阳坡最低温度为-12.36℃,阴坡最低温度为-14.35℃,渠底最低温度为-13.28℃情况下,保温保温板的最合理厚度为阳坡和渠底6cm,阴坡8厘米。

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第一章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 国内外渠道衬砌现状

1.3 国内外渠道冻胀研究现状

1.4 研究内容及方法

第二章 混凝土衬砌渠道冻胀机理及破坏特征

2.1 冻胀机理简述

2.2 混凝土衬砌渠道冻胀影响因素研究

2.3 混凝土衬砌渠道冻胀破坏特征

2.4 本章小结

第三章 混凝土衬砌渠道冻胀的本构模型

3.1 应力应变的本构方程

3.2 模型温度场有限元求解

3.3 混凝土衬砌渠道应力应变求解

3.4 本章小结

第四章 保温板用于混凝土衬砌渠道理论研究

4.1 保温板保温机理

4.2 保温板压缩强度的选取

4.3 保温板的材料性能

4.4 保温板厚度的确定

4.5 保温板在渠道防冻胀中应用的经济效益

4.6 本章小结

第五章 混凝土衬砌渠道冻胀数值模拟

5.1软件简介

5.2渠道原型及相关参数

5.3 渠道有限元模型

5.4 渠道有限元数值分析及结果处理

5.5 混凝土衬砌渠道保温防冻胀措施研究

5.6 保温板厚度的选择

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢