弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀力学模型及数值模拟

摘要

在我国，冻土地区和季节性冻土地区占国土总面积的3/5，渠道混凝土衬砌工程普遍存在着严重的冻害问题。尤其是在东北、西北、华北等广大地区，冬季气候寒冷，由于渠道衬砌工程多属刚性材料，具有体轻、抗拉强度较低、适应拉伸变形或不均匀沉陷能力较差等特点，因而渠道衬砌冻害更易发生，冻害程度也较其他水工建筑物更为严重。所以，如何防治寒区混凝土衬砌渠道的冻胀破坏已成为一个非常现实的困绕灌区健康发展的问题。
　　 本文在阅读和分析大量文献资料的基础上，论述了国内外渠道防渗抗冻胀的发展现状；讨论了寒冷地区的渠道工程普遍存在的冻害问题及主要影响因素；总结了防渗渠道防治冻害的原则及基本措施。着重做了以下几方面研究工作：
　　 （1）论文探讨了土体产生冻胀变形的机理、渠道冻胀破坏的机理及重要的影响因素，从衬砌的断面形式和结构形式等方面介绍了目前渠道防渗工程的几种主要衬砌形式的各自特点，分析了各种形式衬砌的冻胀机理和破坏形式。
　　 （2）根据渠道衬砌冻胀基本规律，破坏特征，通过简化假设建立了弧底梯形衬砌冻胀力学模型。给出了断面各点内力计算公式，找出了最易出现冻胀破坏的位置出现在坡板与弧底板交接处，并结合实际工程计算，通过抗裂计算判断其是否发生冻胀破坏。
　　 （3）针对实际工程，将渠基冻土和衬砌体作为一整体，结合大型通用有限元ANSYS软件对衬砌渠道进行热应力间接耦合分析，分别得出了采用不同厚度的苯板保温措施条件下以及不采用保温措施的衬砌渠道温度场，应力场和变形场分布规律。找出了苯板的经济合理的厚度取值为8cm，与工程相符合。
　　 通过简化力学模型计算结果和计算机模拟结果对比分析，渠道冻胀变形和冻胀力的分布规律基本一致，同时验证了简化力学模型的正确性。因此本文提出的力学模型及数值模拟方法是合理可行的，对同类工程设计及管理具有一定的指导意义。