渠道冻胀力学模型及有限元分析
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摘要
合理利用水资源是世界各国政府和科学家共同高度关注的问题。在解决水资源的对策中,除兴建必要的蓄水、引水工程、扩大水源外,更重要的是节约用水,提高水的利用率,防止水污染等。渠道防渗是节约用水、实现节水型社会的重要内容。但是,由于对衬砌体抗冻胀问题认识不透,设计上的不合理性及施工质量差等原因,渠道衬砌冻胀破坏屡见不鲜,可以说,渠道衬砌冻害遍及所有季节冻土区,解决这一问题的关键就是要搞清楚刚性衬砌体在受冻胀时的受力情况,作为渠道设计的依据。
1)根据渠道冻胀的基本规律、破坏特征提出梯形和准梯形渠道冻胀的力学模型,该模型只有一个待定参数—最大冻结力,只要根据经验或试验确定了该参数,力学模型就可以求解,为其他力学模型的建立提供了一条思路;
2)将冻土和衬砌体视为一整体结构,按横观各向同性冻土介质应用有限元方法对衬砌渠道温度场和应力场及变形场进行分析研究,模拟结果与野外观测资料基本吻合,表明渠道冻胀的二维有限元数值模拟能够为季节冻土区渠道工程设计及力学计算提供参考和科学依据;
3)对比研究数值模拟与简化力学模型结果,其冻胀变形,冻胀力的分布规律基本一致,也验证了简化力学模型的正确性;
4)梯形断面形式的法向冻胀力呈上小下大规律分布,在渠底则趋于均布,而切向冻胀力沿坡面呈上小下大的规律,在渠底几乎趋于零;准梯形渠道断面分布规律与梯形相似;
5)准梯形断面主要变形是衬砌体整体随着基土向上抬升,变位比较均匀,而梯形断面渠道冻胀变形不均匀系数显然是比较大的,特别是梯形渠道渠底部分;准梯形断面渠道的整体受力比较小,其中最大拉应力在阳坡的衬砌表面,最大值为15.3 MPa ,而梯形渠道最大拉应力则达到61.5 Mpa,由此可见,准梯形渠道断面的冻胀变形、冻胀力及拉应力都比相同尺寸,相同参数情况下梯形断面的数值小,抗冻胀能力优越于梯形渠道。
The problem of using water resources reasonably is drawing government and scientists of attention in the world. In the processing of resolving water resources, besides the water storage engineering and the water diversion engineering should be built and the water resources should be enlarged necessarily, the more important problem is saving the water, increasing the utilization ratio of water,preventing the pollution of water and so on .The seepage control of canal is the important measure of saving water. But,But, because people don’t know enough about this problem or design channel irrationally and so on, channel damage is continue ,one way to solve the problem is to accept force condition , as the basis of channel designing.
Firstly, the mechanics models of frost heaving damage of the concrete lining plates of the canal with trapezoidal section and similar trapezoidal section can be solved provided that ad freezing forces is determined according to the practical experience or experiment. At the same time, this can provide some method for other section;
Secondly, looking upon frozen ground and the lining step body as one entirety structure , with the application of numerical simulation , ,the paper simulates the frost heaving process of canal, and has a deeply study on its temperature field、the stress and the deformation field.The theoretical analysis results agree well with the local test, that’s to say, the FEM numerical simulation of heaved channel would provide theoretical base for channel engineering design and mechanics calculation in seasonal frozen soil area;
Thirdly, compared the result of numerical and that of Mechanics model, the distribution of deformation and frozing force is similar, which also verifies the correctness of the Mechanics model;
Forthly, frost-heave vertical forces of trapezoidal canal is small in the top and big in the bottom of slope linging, but smooth in the bottom of cannal, Frost-heave horizontal forces is almost zero in the bottom of cannal. That of similar trapezoidal canal is same with that of trapezoidal canal;
Fifthly,the main deformation of similar trapezoidal canal is that the concrete lining lifting with the soil body, the same to trapezoidal canal, but trapezoidal canal swells the uneven modulus of deformation evidently is comparatively big, especially scalariform channel canal bottom; similar trapezoidal canal is comparatively small by the force ,the maxima stress value is 15.3 MPa, but that of trapezoidal canal can reach to 61.5 Mpa, this proves, with the same dimension , parameter of material, similar trapezoidal canal is better than trapezoidal canal in resisting to freezing.
1)根据渠道冻胀的基本规律、破坏特征提出梯形和准梯形渠道冻胀的力学模型,该模型只有一个待定参数—最大冻结力,只要根据经验或试验确定了该参数,力学模型就可以求解,为其他力学模型的建立提供了一条思路;
2)将冻土和衬砌体视为一整体结构,按横观各向同性冻土介质应用有限元方法对衬砌渠道温度场和应力场及变形场进行分析研究,模拟结果与野外观测资料基本吻合,表明渠道冻胀的二维有限元数值模拟能够为季节冻土区渠道工程设计及力学计算提供参考和科学依据;
3)对比研究数值模拟与简化力学模型结果,其冻胀变形,冻胀力的分布规律基本一致,也验证了简化力学模型的正确性;
4)梯形断面形式的法向冻胀力呈上小下大规律分布,在渠底则趋于均布,而切向冻胀力沿坡面呈上小下大的规律,在渠底几乎趋于零;准梯形渠道断面分布规律与梯形相似;
5)准梯形断面主要变形是衬砌体整体随着基土向上抬升,变位比较均匀,而梯形断面渠道冻胀变形不均匀系数显然是比较大的,特别是梯形渠道渠底部分;准梯形断面渠道的整体受力比较小,其中最大拉应力在阳坡的衬砌表面,最大值为15.3 MPa ,而梯形渠道最大拉应力则达到61.5 Mpa,由此可见,准梯形渠道断面的冻胀变形、冻胀力及拉应力都比相同尺寸,相同参数情况下梯形断面的数值小,抗冻胀能力优越于梯形渠道。
The problem of using water resources reasonably is drawing government and scientists of attention in the world. In the processing of resolving water resources, besides the water storage engineering and the water diversion engineering should be built and the water resources should be enlarged necessarily, the more important problem is saving the water, increasing the utilization ratio of water,preventing the pollution of water and so on .The seepage control of canal is the important measure of saving water. But,But, because people don’t know enough about this problem or design channel irrationally and so on, channel damage is continue ,one way to solve the problem is to accept force condition , as the basis of channel designing.
Firstly, the mechanics models of frost heaving damage of the concrete lining plates of the canal with trapezoidal section and similar trapezoidal section can be solved provided that ad freezing forces is determined according to the practical experience or experiment. At the same time, this can provide some method for other section;
Secondly, looking upon frozen ground and the lining step body as one entirety structure , with the application of numerical simulation , ,the paper simulates the frost heaving process of canal, and has a deeply study on its temperature field、the stress and the deformation field.The theoretical analysis results agree well with the local test, that’s to say, the FEM numerical simulation of heaved channel would provide theoretical base for channel engineering design and mechanics calculation in seasonal frozen soil area;
Thirdly, compared the result of numerical and that of Mechanics model, the distribution of deformation and frozing force is similar, which also verifies the correctness of the Mechanics model;
Forthly, frost-heave vertical forces of trapezoidal canal is small in the top and big in the bottom of slope linging, but smooth in the bottom of cannal, Frost-heave horizontal forces is almost zero in the bottom of cannal. That of similar trapezoidal canal is same with that of trapezoidal canal;
Fifthly,the main deformation of similar trapezoidal canal is that the concrete lining lifting with the soil body, the same to trapezoidal canal, but trapezoidal canal swells the uneven modulus of deformation evidently is comparatively big, especially scalariform channel canal bottom; similar trapezoidal canal is comparatively small by the force ,the maxima stress value is 15.3 MPa, but that of trapezoidal canal can reach to 61.5 Mpa, this proves, with the same dimension , parameter of material, similar trapezoidal canal is better than trapezoidal canal in resisting to freezing.
引文
[1] 李安国,建功,曲强.渠道防渗工程技术[M].北京:中国水利水电出版社,1998.
[2] 陈志恺.持续干旱与华北水危机[J].中国水利,2002,(4):8-11.
[3] 唐兴信.农业节水技术[M].北京:中国水利水电出版,1992.
[4] 中国水资源公报. [R].北京,中国水利水电出版社,1999.
[5] 李远华.节水灌溉理论与技术[M].武汉:武汉水利电力大学出版社,1999.
[6] 冯国斌,阮本青.黄河流域节水灌溉的探讨[J].中国水利,1999,(5):1-2.
[7] 秦为耀.节水灌溉技术[M]. 北京:中国水利水电出版社,2000.
[8] 山西省渠道防渗工程技术手册编委会. 山西省渠道防渗工程技术手册[M].太原:山西省科学技术出版社,2003.
[9] 程满金,申利刚等.大型灌区节水改造工程技术试验与实践[M].北京:中国水利水电出版社,2003.
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[11] 曹政权,齐广平,李涛等.灌溉渠道防渗措施应用现状分析[J].甘肃农业大学学报,2006,(4):116-120.
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[13] 季仁保,周福国.渠道防渗技术新进展[J].中国农村水利水电,2003,(4):1-2.
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[15] 王介民,孙新忠,朱文魁.弧形底梯形渠现浇混凝土防渗施工机械的研制[J].防渗技术,2002,(2): 20-22.
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[34] 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,2006,25(2):8-11.
[35] Hopke S W.A model for frost heave including over-burden[J].Cold Region Sci.Tech.1980,3(2):111-127.
[36] Gilpin R R.A model for the prediction of ice leasing and frost heave In soil[J].Water Resource Resh,1980,l6(5): 918-930.
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[39] 王正中,沙际德等.正交各向异性冻土与建筑物相互作用的非线性有限元分析[J].土木工程学报,VOL.32 No.3:55-60.
[40] 王正中,袁驷,陈涛. 冻土横观各向同性非线性本构模型的实验研究 [J].岩土工程学报,2007,(8),待发.
[41] 李永安,吕荣生.防渗渠道的防治冻胀措施[C].渠库防渗论文集,西安:三秦出版社,1994.
[42] 李安国,常次勤.渠道防渗防冻胀对策[M]. [C].渠库防渗论文集,西安:三秦出版社,1994.
[43] 潘军锋,孟国霞。玻璃纤维防渗布的研制[M]. [C].渠库防渗论文集,西安:三秦出版社,1994.
[44] 历志海,李雪.复合土工膜在永定新河防渗处理工程中的应用[M]. [C].渠库防渗论文集,西安:三秦出版社,1994.
[45] 黎玉彬.土工合成材料在水电工程中的应用研究[M]. [C].渠库防渗论文集,西安:三秦出版社,1994.
[46] 潘起来.季节性冻土地区衬砌渠道的防冻措施[J].青海大学学报,2004,(5):36-38.
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[50] 张茹 , 王正中 . 季节性冻土地区衬砌渠道冻胀防治技术研究进展 [J]. 干旱地区农业研究,2007,(3):236-240.
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[52] 王振铎,李淑珍.冻胀区渠道防渗工程应用土工合成材料的几个问题[J].吉林水利,2005,(12):53-56.
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[54] 张海燕,韩苏建,李元婷.土壤固化剂用于渠道防渗工程初探[J].水土保持通报,2004(1):44-46.
[55] 庄中霞,王士恩.土料固化剂固化土料的室内试验研究[J].中国农村水利水电,2006,(3):92-94.
[56] 闫宁霞,宋春香,杜向琴.渠道衬砌纤维固化土工程特性的试验研究[J].灌溉排水学报,2006, (3):60-62.
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[58] 周正兵,王钊. 用于渠道防渗的两种新型土工复合材料[J].防渗技术,2001,(3):1-5.
[59] 刘新华,戴红,张燕等.浅谈新技术新材料在北方渠道防渗抗冻中的应用[J].山东水利,2004, (4):48-49.Proc,1975,39:1036-1041.
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[43] 潘军锋,孟国霞。玻璃纤维防渗布的研制[M]. [C].渠库防渗论文集,西安:三秦出版社,1994.
[44] 历志海,李雪.复合土工膜在永定新河防渗处理工程中的应用[M]. [C].渠库防渗论文集,西安:三秦出版社,1994.
[45] 黎玉彬.土工合成材料在水电工程中的应用研究[M]. [C].渠库防渗论文集,西安:三秦出版社,1994.
[46] 潘起来.季节性冻土地区衬砌渠道的防冻措施[J].青海大学学报,2004,(5):36-38.
[47] 张科桂.昌马西一支干渠及支渠渠道防冻胀措施[J].工程维护,2001,(9):135-137.
[48] 南文凯,阎铮.对梯形渠道坡脚变形缝的改进[J].防渗技术.1996,(3):13-15.
[49] 李甲林,王正中,杜成义.高地下水位区灌溉渠道滤透式刚柔耦合衬护结构试验研究[J].灌溉排水学报,2005,(5):63-66.
[50] 张茹 , 王正中 . 季节性冻土地区衬砌渠道冻胀防治技术研究进展 [J]. 干旱地区农业研究,2007,(3):236-240.
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[54] 张海燕,韩苏建,李元婷.土壤固化剂用于渠道防渗工程初探[J].水土保持通报,2004(1):44-46.
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[56] 闫宁霞,宋春香,杜向琴.渠道衬砌纤维固化土工程特性的试验研究[J].灌溉排水学报,2006, (3):60-62.
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[20] 李安国. 渠道设计冻深的确定[A].第五届全国冰川冻土学大会论文集(上).兰州:甘肃文化出版社,1999:325-332.
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[22] 中华人民共和国水利部.SL211-98水工建筑物抗冻设计规范[S].北京:中国水利水电出版社, 1998.
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[24] 余书超,宋玲等.刚性衬砌渠道受冻胀时衬砌层受力的试验研究[J].中国农村水利水电,2001,(9):32-33.
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[38] 程地会,曲绍平等.北方地区基土标准冻深的预报 [J].黑龙江工程学院院报,VOL.17 No.4:62-64.
[39] 王正中,沙际德等.正交各向异性冻土与建筑物相互作用的非线性有限元分析[J].土木工程学报,VOL.32 No.3:55-60.
[40] 王正中,袁驷,陈涛. 冻土横观各向同性非线性本构模型的实验研究 [J].岩土工程学报,2007,(8),待发.
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