不同U型结构混凝土渠道冻胀数值模拟分析

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1、灌溉排水学报２０１５年４月第３４卷第４期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章编号：１６７２－３３１７（２０１５）０４－００３８－０５不同Ｕ型结构混凝土渠道冻胀数值模拟分析高靖１，田军仓１，２，３，王斌１，２，３（１．宁夏大学土木与水利工程学院，银川７５００２１；２．宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川７５００２１；３．旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川７５００２１））摘要：为了探明Ｕ型混凝土渠道倾角和厚度对其抗冻胀效果的影响，以衬砌板为研究对象，对不

2、同倾角、不同厚度的衬砌进行了数值模拟。结果表明，随倾角或厚度的增大，衬砌的冻胀不均匀性减小，冻胀变位和高峰应力也相应减小。厚度为１０、８、６、４ｃｍ的同一倾角Ｕ型衬砌板，衬砌圆弧段冻胀变位幅度较小，几乎不随厚度的变化而变化；各厚度的衬砌，０°～８°倾角范围内，衬砌的冻胀不均匀性的变化梯度较大，倾角的增大对其冻胀不均匀性影响显著；２２°～３４°倾角范围内，倾角的增大对其抵抗冻胀效果影响不明显；８°～２２°倾角范围内，倾角的增大对其冻胀不均匀性影响适中，以１５°～２２°为宜。关键词：数值模拟；Ｕ型渠道；冻胀

3、破坏；ＡＤＩＮＡ中图分类号：Ｓ２７７文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ．２０１５．０４．００９高靖，田军仓，王斌．不同Ｕ型结构混凝土渠道冻胀数值模拟分析［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１５，３４（４）：３８－４２．０引言渠道基土的冻胀是引起衬砌渠道破坏的主要原因，特别是混凝土刚性衬砌渠道，由于其抗拉及抗弯能力较差，当衬砌不能适应渠道基土冻胀变形或不能抵抗渠道基土冻胀力时就会产生裂缝甚至断裂的冻胀破坏。Ｕ型混凝土衬砌渠道因具有水力条件好、占地面积少、防渗抗冻胀性能强等优点，而被广泛应

4、用于各级渠道建设及灌区改造工程中。然而，北方灌区的渠道基土要经过反复冻结与融沉，衬砌渠道还是会发生不同程度的破坏。为了较好地改善这种状况，在设计过程中要充分认识Ｕ型衬砌渠道倾角和厚度的变化对削减冻胀效果的影响。针对以上存在的问题，综合文献［１－３］，通过适当假设，取衬砌板为研究对象，相较于把冻土和［４－５］衬砌作为一体的数值模拟分析，旨在探求相同冻胀条件下，通过应用ＡＤＩＮＡ软件对不同倾角、不同厚度的Ｄ８０Ｕ型混凝土衬砌渠道进行数值模拟，分析衬砌在冻胀过程中的变形和应力分布规律以及易发生冻胀破坏的区域的

5、高峰应力的变化来揭示衬砌倾角和厚度的变化对抵抗冻胀效果的影响，进而为Ｕ型衬砌渠道进一步优化设计提供借鉴。１基本假设冻结过程中，渠道基土与衬砌之间的相互作用非常复杂，很难准确模拟衬砌和渠道基土冻结及冻胀变形［６］的整个过程。为便于分析衬砌在土体冻胀过程中的变形特征及应力分布规律，对其进行适当假设和简化：１）衬砌的冻胀破坏主要来自渠道基土的冻胀，冻土的弹性模量远小于混凝土（约为１／１０），冻土不参与［７］衬砌板的弯曲变形，只对衬砌板施加冻胀力，并提供被动冻结约束。为便于分析衬砌板在冻胀变形过程中易发生冻胀破

6、坏的区域，假设渠道基土在冻结过程的冻胀量全部作用于衬砌并沿衬砌板线性分布，不计衬砌自身的冻胀。收稿日期：２０１４－１２－０３基金项目：“十二五”农村领域国家科技计划课题（２０１２ＢＡＤ０８Ｂ０１－５）；教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队项目（ＩＲＴ１０６７）；宁夏自然科学基金项目（ＮＺ１２１４８）作者简介：高靖（１９８９－），男，陕西安塞人。硕士研究生，主要从事节水灌溉理论与技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｗｗｇａｕｊｙ１２０５＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：田军仓（１９５８－），男，陕西扶风人。教授，博

7、士生导师，博士，主要从事节水灌溉理论与技术研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｌｘｔｊｃ＠１６３．ｃｏｍ３８２）衬砌达到极限破坏状态时，混凝土衬砌板为非线性弹性材料，结构变形为小变形。２有限元模型的建立２．１渠道观测设计原型渠道为宁夏青铜峡市大坝镇蒋南村的一条斗渠，模拟渠道为宁夏大学北校区试验场Ｄ８０Ｕ型混凝土衬砌渠道，为挖方渠道，其断面形式及测点布置如图１所示，图１中α为衬砌倾角；Ｒ为衬砌圆弧段半径；Ｎ１、Ｎ２分别为冻胀仪在阴坡不同埋设位置；Ｓ１、Ｓ２分别为冻胀仪在阳坡不同埋设位置；２０１４年１月１６日—３月３０图

8、１原型渠道衬砌断面及测点布置示意图（单位：ｍｍ）日，通过自动数据采集系统每３０ｍｉｎ采集１次，冻胀基本资料见表１。混凝土材料的弹性模量取２６ＧＰａ，泊松比取０．２，密度为２４００ｋｇ／ｍ３。表１模拟渠道基本情况月平均地温／℃渠床土质测点部位冻胀量／ｍｍ１月２月３月Ｎ１－２．５０．５８．４３．１Ｎ２－２．０１．０９．１５．８砂壤土Ｓ１－１．１１．８９．６４．５Ｓ２－０．９２．０９．７２．６２．２有限元模型建立及计算方法根据假设及模拟渠道的基本