西北寒区渠道工程冻融灾害链式试验研究

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1、西北寒区渠道工程冻融灾害链式试验研究摘要：我国大部分地区都处于季节性冻土区和永久冻土区，纬度较高，存在的主要灾害为渠道冻胀破坏。本文针对渠道冻胀灾害发生形成的条件，依据链式灾害理论，对渠道衬砌结构冻胀破坏的形成与发展做了详细的说明。通过建立渠道冻胀破坏链式模型，结合现场原型渠道试验，得到了冻结期的相关数据，最后通过对渠基土体温度场与应力应变场变化分布规律的研究，得到了渠道冻胀破坏过程中渠道不同部位的最大冻深，为今后渠道工程的实施提供帮助。关键词：冻土区；渠道冻胀；冻结期；应力应变场ChainExperimentofFreezing-thawingDisasterinChann

2、elWorksinColdRegionsofNorthwestChinaAbstract:Mostpartsofourcountryareinseasonalfrozenandpermafrostregionswithhighlatitudes.Themaindisasteristhedestructionofcanalfrostheaving.Inthispaper,accordingtotheformationconditionsofcanalfrostheavedisastersandaccordingtothechaindisastertheory,theformat

3、ionanddevelopmentoffrostheaveofchannelliningstructurearedescribedindetail.Byestablishingachainmodeloffrostheavinganddestroyingchannelsandcombiningwiththeprototypetestinthefield,therelevantdataofthefreezingperiodareobtained.Finally,throughthestudyofthevariationoftemperaturefieldandstressands

4、trainfieldincanalfoundation,Inthedifferentpartsofthechannelthelargestdeep-frozen,thechannelfortheimplementationoftheprojecttoprovidehelp.Keywords:Permafrost；Channelfrostheave；Freezeperiod；Stress-strainfield0引言渠道是我国输送水资源的重要方式[1-2]，而北方季节冻土区渠系利用率很低[3]，主要是由于渠基土冻胀发生破坏，降低了渠道输水功能的效率，导致了大量灌溉水渗漏[4]。

5、渠道工程在寒区受到冻胀破坏的影响情况严重，因此解决渠道防渗抗冻胀问题是发展节水农业的重要保障[5]。二十世纪六十年代，陈爱新[6]等依据毛细理论对土体产生冻胀力以及冻胀进行分析并给出了定量计算,提出冰透镜体之所以产生是由于冻胀压力和抽吸压力的存在；陈玉超[7]等对冻土中热质转移以及水分运移引起的水、热、力多场耦合问题进行了探究，并通过适当的假设条件建立了模型方程，得出土体冻结规律。本文基于相关理论研究，结合前人的研究结果，以西北某大型灌区渠道为研究对象进行科学研究，通过建立试验模型，对寒区渠道工程冻融灾变的水分场与温度场链式作用机理进行了研究并提出更加合理的抗冻胀的工程措施，

6、为今后的工程实施提供参考。1寒区渠道工程有限元模拟1.1有限元计算基本假定试验采用ABAQUS/Standard通用分析模块设定模型参数以及施加各种类型的荷载，可提交并监视分析作业。本文不考虑水、热、以及力三场耦合的数值模拟，而是将冻土视为冷胀材料，对模拟过程采用合理的简化，并假设渠基冻土是连续均匀的各向同性材料，将渠基土冻结的过程看作稳态热传导过程。1.2渠道冻胀数值模拟比较原型试验与数值模拟计算结果，采用4节点的平面应变单元划分网格，选取渠基土从顶向下到15m位置，边界界定离渠道坡3m，得到如图1渠道有限元网格所示。图1渠道有限元网格表1为冻土及其他材料参数，由表可知，冻

7、土的泊松比为0.35，混凝土衬砌板导热系数为0.65W/(m·℃)，下层土体受外界的影响较小，其导热系数较大。表1冻土及其他材料参数材料泊松比线膨胀系数弹性模量/Pa密度/(kg/m3)冻土0.351.2×10-52.0×1010-混凝土0.171.5×10-53.1×10102550填缝材料0.5303×105-下层土体0.3105.1×1010-1.3温度场及力场的模拟计算图2为渠基的温度场分布，由图可知，渠道的不同位置，温度不同，且阴坡的温度梯度稍大于阳坡，与实际工程情况相符合。渠基土底部含水率高