小型U形渠道混凝土衬砌冻胀破坏力学模型的研究

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1、摘要随着社会经济的不断发展，我国的水资源矛盾日益突出，提倡节水型农业及合理利用水资源势在必行。渠道防渗衬砌是减少农业灌溉输水损失的有效方法。宁夏引黄灌区作为一个历史悠久的灌区，近年来修建了大量的渠道防渗工程，其中U形混凝土衬砌渠道由于水力条件好、占地面积少、抗冻胀性能好而被广泛应用于支、斗、农等各级渠道中。但是，因冬季负温的作用，渠基土发生冻胀，从而使混凝土衬砌渠道发生不同程度的冻胀破坏，有的甚至失去防渗作用。因此，混凝土衬砌渠道防冻胀破坏已经成为一个亟待解决的问题。本文通过阅读和分析大量文献资料，论述了国内外渠道防渗

2、抗冻胀技术的发展现状，总结了渠道抗冻胀破坏的技术措施，以宁夏引黄灌区中小型U形渠道为研究背景，针对目前U形混凝土衬砌板冻胀破坏力学特点及其变化规律的理论研究还有待完善的现状，重点进行了小型U形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的受力分析与建立相应力学分析模型的研究工作，并采用有限元数值方法，对小型U形渠道衬砌结构冻胀作用下的纵向变形问题进行了相应的三维数值模拟分析。具体研究内容与研究结果如下：(1)探讨了混凝土衬砌渠道冻胀破坏的主要影响因素；根据渠道衬砌结构形式分析了几种目前应用普遍、不同断面衬砌渠道的冻胀破坏机理和破坏特征。重点

3、分析两拼式U形和整体式u形混凝土衬砌渠道的冻胀特点。(2)通过对小型的两拼式和整体式U形渠道混凝土衬砌冻胀破坏特征及破坏原因的分析，确定了在法向冻胀力、法向冻结力、切向冻结力和重力共同作用下混凝土衬砌整体结构的计算简图，建立了这两种衬砌结构冻胀破坏的力学模型并推导出冻胀控制内力及最大拉应力的计算公式，结合混凝土板的抗裂条件，给出了胀裂部位、衬砌板厚及抗冻胀破坏验算的方法。(3)针对实际工程，运用大型有限元软件ANSYS对考虑纵向变形整体式U形混凝土衬砌渠道的冻胀进行三维数值模拟分析，得到了衬砌渠道温度场、应力场和变形场

4、的分布规律，模拟结果与野外试验观测结果基本一致，由此表明，本文采用的考虑纵向变形整体式U形混凝土衬砌渠道的数值模拟方法是合理的，可为小型整体式’U形混凝土衬砌渠道的设计提供科学合理的分析方法。关键词t小型U形渠道，混凝土衬砌结构，冻胀破坏，力学模型，数值模拟Abstractithasbecomeaprominentcontradictionwhichisunbaloncebetweendemandandsupplyofwaterresourcesinourcountrywiththedevelopingofsociet

5、yandeconomicgrowth．Sowearemovingtowardsthewater·savingagricultureandthemostimportantimperativeistokeeprationalutilizationofwaterresourcesinoursociety．Thecanalliningisoneoftheeffectivemethodstoreducetransportationwaterlossforagriculturalirrigation．NingxiaYellowRi

6、verplainisafamousirrigationareawithalonghistoryandlargeamountofcanalswithlininghavebeenbuiltinrecentyears。Especially，U—shapedconcretelininghasbeenwidelyusedtoditchesandbucketcanalsinthepresentstagefortheconstructionofecologicalwater-savingirrigatedareaandthesust

7、aineddevelopmentofmodemagriculturebecauseofitsgoodathydraulicconditionandanti-frostproperty．However,thefrostheavinginjuryhasbecomeacommonproblemsothatmanycanalsaredes仃oyedeasilyorevenlosethedefenseagainstseepageduetonegativetemperature．Thus，anti—frostingswelling

8、ofconcreteliningcanalhasbecomeaproblemdemandingpromptsolution．Basedonreferenceandanalysisofvariousliteratures，thepresentdevelopingstateoftheimperviousandfrost-resisti