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冰盖输水衬砌渠道冰冻破坏统一力学模型

农业工程学报 2020年第1期36卷 90-98页

作者：葛建锐王正中牛永红王羿肖旻刘铨鸿江浩源西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心旱区农业水土工程教育部重点实验室杨凌712100 中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室兰州730000 江西科技师范大学建筑工程学院南昌330013

随着城市供水与生态需水要求的提高,寒冷地区输水渠道冬季运行成为常态,目前冬季运行渠道抗冰冻破坏尚无评价准则与结构设计方法。针对此,基于冬季不输水渠道衬砌结构冻胀破坏的弹性地基梁模型,考虑冰推力、冰约束及渠基土冻胀力对结构... 详细信息

随着城市供水与生态需水要求的提高,寒冷地区输水渠道冬季运行成为常态,目前冬季运行渠道抗冰冻破坏尚无评价准则与结构设计方法。针对此,基于冬季不输水渠道衬砌结构冻胀破坏的弹性地基梁模型,考虑冰推力、冰约束及渠基土冻胀力对结构的共同作用,在结构破坏的极限平衡状态下,推导得到冬季输水渠道冰盖运行工况下衬砌结构内力计算、应力计算及抗裂准则的解析表达式。通过静冰荷载影响系数、静水压力影响系数和冰冻荷载耦合系数的变化,可统一冬季有无冰盖输水及停水3种典型工况下衬砌结构内力、应力分布计算,进一步提出寒区衬砌渠道冰-冻破坏统一力学模型。以新疆某梯形渠道为研究原型,通过对衬砌坡板内力、应力及冰拔力计算分析,得到冰-冻破坏截面位置和各截面受力的分布规律。对无冰盖输水、带冰盖输水和无冰盖不输水3种典型梯形渠道力学模型进行内力计算对比分析表明,截面最大拉应力极大值分别为4.186、2.447和2.208 MPa,冬季无冰盖输水渠道冰冻破坏最严重(控制工况),无冰盖不输水冰冻破坏最轻,而冰盖运行介于两者中间,三者冰冻破坏规律差异较大。因此,在冬季输水衬砌渠道抗冰-冻设计中建议综合考虑3种典型工况,并按其破坏规律和力学模型进行安全性评价。

关键词：渠道冰冻模型冬季输水衬砌渠道冰盖

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北方灌区混凝土衬砌渠道断面优化及参数分析

农业工程学报 2015年第20期31卷 107-114页

作者：刘东胡宇祥付强李天霄东北农业大学水利与建筑学院哈尔滨150030 东北农业大学农业部农业水资源高效利用重点实验室哈尔滨150030 吉林农业科技学院水利与土木工程学院吉林市130101

人工明渠是中国北方灌区采用的主要输水方式。合理的渠道断面参数计算是水利计算中的重要环节。因此,合理的模型与较高精度的计算方法是求解渠道断面的关键。然而传统灌区混凝土衬砌渠道断面优化设计仅从最优水力断面角度出发,考虑单一... 详细信息

人工明渠是中国北方灌区采用的主要输水方式。合理的渠道断面参数计算是水利计算中的重要环节。因此,合理的模型与较高精度的计算方法是求解渠道断面的关键。然而传统灌区混凝土衬砌渠道断面优化设计仅从最优水力断面角度出发,考虑单一水力要素,而忽视了渠道冻胀安全以及工程造价的问题。该文建立了以最优水力断面、工程造价最小为目标,满足混凝土衬砌渠道冻胀要求的数学模型。根据模型非线性的特点,利用自适应粒子群优化算法,对混凝土衬砌渠道梯形断面结构进行优化,选用自适应粒子群算法可以很好地克服算法陷入局部最优解的问题。建立的模型将混凝土衬砌量与工程占地最小作为目标函数优化。优化结果在最佳水力断面基础上,满足边坡稳定与工程量最小。最后将模型应用于黑龙江依兰县倭肯河灌区学兴干渠,分析了渠道边坡系数、渠底宽和渠道水深对目标函数的影响规律。优化结果表明,模型计算所得渠道工程占地减小1.5%,混凝土衬砌量减小1.8%。各个参数中,边坡系数对目标函数影响较大。混凝土衬砌厚度由土壤性质、冻结力大小所决定。该研究成果为提高寒区混凝土防渗渠道优化设计水平及灌区运行效益提供了理论依据。

关键词：渠道模型优化自适应粒子群算法衬砌渠道断面优化冻胀破坏数学模型

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模袋混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型及应用

排灌机械工程学报 2019年第12期37卷 1072-1076,1099页

作者：刘倩申向东薛慧君刘玉锁内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院内蒙古呼和浩特010018 内蒙古巴彦淖尔市临河区水利局内蒙古巴彦淖尔015000

为了探究寒区模袋混凝土梯形衬砌渠道冻胀破坏力学模型,通过总结寒区模袋混凝土梯形衬砌渠道的冻胀破坏形式,对模袋混凝土梯形衬砌渠道发生冻胀破坏的机理进行分析,并结合大量的野外试验,对寒区模袋混凝土衬砌渠道的受力问题进行研究.... 详细信息

为了探究寒区模袋混凝土梯形衬砌渠道冻胀破坏力学模型,通过总结寒区模袋混凝土梯形衬砌渠道的冻胀破坏形式,对模袋混凝土梯形衬砌渠道发生冻胀破坏的机理进行分析,并结合大量的野外试验,对寒区模袋混凝土衬砌渠道的受力问题进行研究.在此基础上,通过对衬砌渠道合理的假设和简化,提出了模袋混凝土梯形衬砌渠道受冻胀破坏的力学模型,推导出模袋混凝土在空洞处内力表达式,同时总结了模袋混凝土衬砌结构发生冻胀破坏的判断准则.通过有关规范确定了最大法向冻胀力和切向冻结力,即可求出模袋混凝土的内力,并对模袋混凝土的厚度进行验算,为今后的工程设计提供一定的理论依据.在实际工程中,模袋混凝土衬砌结构在空洞处容易发生断裂破坏,应避免模袋混凝土衬砌结构出现空洞现象.

关键词：模袋混凝土衬砌渠道受力冻胀力学模型空洞

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HDPE板衬砌渠道可行性初探

节水灌溉 2021年第2期 87-93页

作者：申瑞华宋玲孙雯王艳坤石河子大学水利建筑工程学院新疆石河子832003

为了分析高密度聚乙烯(HDPE)板衬砌技术在渠道工程中的可行性,使用改性后的HDPE原料或废旧PE滴灌带作为渠道的衬砌板,结合施工方案设计、水力学分析以及冻胀数值模拟对其展开研究。HDPE板采用热熔连接和在渠段连接处设置伸缩孔的施工方... 详细信息

为了分析高密度聚乙烯(HDPE)板衬砌技术在渠道工程中的可行性,使用改性后的HDPE原料或废旧PE滴灌带作为渠道的衬砌板,结合施工方案设计、水力学分析以及冻胀数值模拟对其展开研究。HDPE板采用热熔连接和在渠段连接处设置伸缩孔的施工方案,保证了整体的防渗性能。水力学分析表明:相较于混凝土衬砌渠道,低糙率的HDPE板衬砌可以减小渠道一半的过流面积,间接减小了工程占地面积和工程量。冻胀模拟结果表明:与混凝土板衬砌渠道相比,柔性的HDPE板材料使渠基土的冻胀力得到较大的释放,渠坡板的法向冻胀力和切向冻胀力分别减小51.15%和45.49%,渠底板的法向冻胀力和切向冻胀力分别减小84.22%和85.59%;随着HDPE板厚度减小,渠板位移、法向冻胀力以及切向冻胀力会有略微的增加,但不会发生断裂破坏。综合表明:HDPE板衬砌渠道具有施工方便快捷、防渗性能较好、水力性能优良、抗冻胀效果显著、符合可持续发展理念等特点,此项研究可为寒旱地区梯形渠道工程设计和施工提供参考。

关键词：衬砌渠道衬砌材料高密度聚乙烯(HDPE)板废旧PE滴灌带

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宁夏衬砌渠道渠基冻胀率水热响应试验研究

节水灌溉 2024年第6期 27-34页

作者：王羽岱王斌苗福生马楠宁夏大学土木与水利工程学院银川750021 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 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心银川750021

衬砌渠道周围的水分与温度场分布存在明显差异,此范围内渠基土在水热两场耦合作用下冻胀有明显不同。基于这种差异,开展渠基土在不同水分、温度条件下冻胀率试验研究。结果表明:在不同温度条件下,土体冻胀率随温度的变化过程可分为2个阶... 详细信息

衬砌渠道周围的水分与温度场分布存在明显差异,此范围内渠基土在水热两场耦合作用下冻胀有明显不同。基于这种差异,开展渠基土在不同水分、温度条件下冻胀率试验研究。结果表明:在不同温度条件下,土体冻胀率随温度的变化过程可分为2个阶段,当温度从0℃降至-5℃左右时,在此阶段产生的冻胀率约占整个冻胀过程的50%~80%,冻胀率与温度线性关系明显。随着温度继续降低,2者非线性关系明显。在无补水情况下,相同温度条件下的土体,初始含水率越大,所产生的冻胀率越大;初始含水率25%和35%的土体产生的冻胀率均为初始含水率15%土体的1倍到2倍以上。当土体在冻胀过程中有水分补充时,其冻胀率与水分变化线性关系明显,初始含水率越大的土体产生的冻胀率增量越大,初始含水率25%、35%的土体冻胀率增量均为15%土体的2倍以上。提出的水热耦合条件与渠基土冻胀率的多元非线性关系与试验数据吻合较好。建立数值模拟模型,对衬砌渠道不同位置处冻胀作用分布与变形进行计算与分析,结果表明:温度越低、水分越大,衬砌渠道所受到的切向冻胀力与法向冻胀力越大。水热变化差异越大时,土体冻胀导致的衬砌渠道冻胀变形越显著。

关键词：衬砌渠道渠基土温度含水率水热耦合冻胀率

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基于陶粒纤维混凝土的衬砌渠道抗冻胀性能研究

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节水灌溉 2024年第4期 58-64页

作者：马楠王斌苗福生王羽岱宁夏大学土木与水利工程学院银川750021 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 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心银川750021

为改善北方寒区预制混凝土衬砌渠道存在衬砌板件自重大、尺寸小、装配效率低等问题,探讨将陶粒纤维混凝土用于衬砌渠道。基于正交试验法开展9组陶粒纤维混凝土和1组C35普通混凝土冻融前后力学性能试验,并结合冻胀数值模拟分析衬砌渠道... 详细信息

为改善北方寒区预制混凝土衬砌渠道存在衬砌板件自重大、尺寸小、装配效率低等问题,探讨将陶粒纤维混凝土用于衬砌渠道。基于正交试验法开展9组陶粒纤维混凝土和1组C35普通混凝土冻融前后力学性能试验,并结合冻胀数值模拟分析衬砌渠道抗冻胀性能变化。结果表明:陶粒纤维混凝土抗压强度因素影响次序为页岩陶粒体积取代率>聚丙烯纤维(PP)掺量>陶粒预湿时间,抗拉强度因素影响次序为PP掺量>页岩陶粒体积取代率>陶粒预湿时间,冻融后陶粒纤维混凝土抗压、抗拉强度损失率低于普通混凝土;衬砌渠道数值模拟的抗冻胀性能变化与材料性能变化趋势一致,陶粒纤维混凝土衬砌渠道抗冻胀性能损失小于普通混凝土衬砌渠道,最优抗冻胀性能损失减小4.68%,同时衬砌板重量减小18.47%;陶粒纤维混凝土作为渠道衬砌材料具有明显质轻的装配化优势。

关键词：衬砌渠道陶粒纤维混凝土力学特性数值模拟抗冻胀性能

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引黄衬砌渠道输沙防淤技术

水利水电技术 1993年第7期24卷 5-9页

作者：陈芳林刁希全林荣军山东省水利科学研究所

根据在引黄渠道上进行的原型观测试验提出了专门用于衬砌渠道的水流挟沙经验公式:观测分析了引黄衬砌渠道的糙率系数;提出了能同时满足输水输沙要求的纵横断面设计方法及有关参数的最佳取值;根据水沙运行规律分析了调控减淤的运用技术... 详细信息

根据在引黄渠道上进行的原型观测试验提出了专门用于衬砌渠道的水流挟沙经验公式:观测分析了引黄衬砌渠道的糙率系数;提出了能同时满足输水输沙要求的纵横断面设计方法及有关参数的最佳取值;根据水沙运行规律分析了调控减淤的运用技术指标及实施调控运用的手段、条件及时机;研制了两条拖淤机船,结合生产应用进行了拖淤效果试验,证明其是一种良好的辅助输沙减淤措施。

关键词：引黄灌溉衬砌渠道机械拖淤灌溉

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有无毛细水上升对衬砌渠道冻胀影响差异研究

节水灌溉 2024年第11期 110-118页

衬砌渠道周围渠基土水热分布条件不同,当渠基土在冻结过程中有无毛细水上升条件下冻胀差异明显。基于这种差异,开展不同初始含水率渠基土在不同温度条件下有无毛细水上升冻胀率试验,研究土体冻胀变形在这种情况下的变化规律。以此为依据... 详细信息

衬砌渠道周围渠基土水热分布条件不同,当渠基土在冻结过程中有无毛细水上升条件下冻胀差异明显。基于这种差异,开展不同初始含水率渠基土在不同温度条件下有无毛细水上升冻胀率试验,研究土体冻胀变形在这种情况下的变化规律。以此为依据,建立数值模拟模型,对冻结过程中有无毛细水上升渠基土冻胀下衬砌渠道冻胀影响差异进行比较。研究结果表明:渠基土在有毛细水上升条件下,温度越高,所产生的冻胀率增量越多。温度越低,土体吸收水分越多。衬砌渠道在有无毛细水上升条件下冻胀变形及冻胀应力具有明显差异。当毛细水上升时,衬砌渠道因冻胀所产生的变形及应力均大于无毛细水上升时产生的变形及应力。-2℃、-4℃、-7℃下衬砌渠道有毛细水上升条件下最大冻胀变形与无毛细水上升条件下最大冻胀变形伴随温度越低,差异逐渐增大。-2℃、-4℃、-6℃下毛细水上升条件下最大冻胀应力与无毛细水上升条件下最大冻胀应力伴随温度越低,差异逐渐增大。有毛细水上升会加剧衬砌渠道在土体冻胀下裂缝的产生。研究可为有无毛细水上升时衬砌渠道冻胀影响及工程建设提供参考。

关键词：有无毛细水上升条件渠基土衬砌渠道冻胀影响数值模拟

弧脚梯形衬砌渠道抗冻胀及水力合理断面的分析

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西北农林科技大学学报（自然科学版） 2010年第1期38卷 231-234页

作者：芦琴王正中刘计良刘旭东西北农林科技大学水工程安全与病害防治研究中心陕西杨凌712100 杨凌职业技术学院陕西杨凌712100 中国科学院国家冻土工程重点实验室甘肃兰州730000 西北农林科技大学理学院陕西杨凌712100

【目的】推导出适宜于季节性冻土区弧脚梯形衬砌渠道的断面形式。【方法】根据冻土力学、水力学、工程力学理论,分析弧脚梯形渠道砼衬砌冻胀破坏机理及破坏特征,指出对季节性冻土区弧脚梯形渠道最优断面的设计,要从结构抗冻胀和水力学... 详细信息

【目的】推导出适宜于季节性冻土区弧脚梯形衬砌渠道的断面形式。【方法】根据冻土力学、水力学、工程力学理论,分析弧脚梯形渠道砼衬砌冻胀破坏机理及破坏特征,指出对季节性冻土区弧脚梯形渠道最优断面的设计,要从结构抗冻胀和水力学两方面考虑,以砼衬砌体同时满足水力最佳及抗冻胀性能最优为原则,对弧脚梯形渠道断面的最优形式进行推导。【结果】根据工程实践中常用的取值范围,在综合考虑水力最佳断面及砼衬砌板抗冻胀性能最优的基础上,得到最优断面的几何参数,即水力最佳和抗冻胀性能最优的弧脚梯形最优断面为:渠底宽是设计水深的0.53倍,坡脚圆弧半径是设计水深的0.3倍,坡脚圆弧中心角即边坡板的倾角为51°。【结论】此断面形式不但能适应季节性冻土区渠道防渗抗冻胀工程的实践要求,而且便于机械化施工。

关键词：弧脚梯形断面衬砌渠道冻胀破坏水力最佳断面受力分析