寒区预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型

基于Winkler弹性地基梁理论及有限杆单元的思想,以单块预制板为研究对象构建其挠曲线微分方程并求解;在此基础上,考虑冻土-结构接触界面及预制板间填缝处的协调变形与相互作用,引入端部边界条件及板间连续性条件,同时砂浆填缝处弯矩为零,将多块预制板联系起来,构建预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型。再由切向静力平衡条件导出切向控制方程并求解,最终获得衬砌板各截面法向冻胀位移与切向位移的解析表达式。以新疆北部某梯形渠道为例,对衬砌各截面法向冻胀位移、切向位移、接触面法向应力、切向冻结力及上表面应力进行计算。结果表明：本文模型计算的法向冻胀位移与观测值符合良好,与弹性支承法、杆系有限元法计算结果相比更接近观测值。上表面应力估算的易开裂范围与实地调查结果基本相符,表明了模型的合理性。由于存在不连续断面即砂浆填缝,衬砌板法向冻胀位移、接触面法向应力、截面弯矩和上表面应力均存在一定的起伏,出现正负交替现象。顶推力作用下坡板各截面均存在切向位移,且自坡脚向坡顶非线性减小,在坡顶达到最小值。     

寒旱区梯形渠道衬砌冻胀破坏数值模拟

针对刚性衬砌渠道冻胀破坏问题,选取宁夏盐环定扬黄灌区衬砌渠道为研究对象,在考虑相变及水分迁移模型基础上,考虑高地下水位对冻胀的影响,建立考虑水分迁移及地下水影响的数学物理模型,并采用Comsol Mutiphysics有限元软件对梯形渠道混凝土衬砌进行冻胀数值模拟,分别从温度场、位移场和应力场对刚性衬砌渠道冻胀破坏等方面进行了研究分析。结果表明:阴坡、阳坡冻胀量较大,渠底较小,渠底中部、渠坡1/3坡板长度处冻胀量分别达到最大值。渠底中部的法向冻胀力较小,两边逐渐增大,阴坡、阳坡的法向冻胀力分布均匀;渠底的切向冻结力成线性分布。阴坡、阳坡靠近坡脚处切向冻结力较大,左、右两端坡顶处切向冻结力较小,渠底衬砌板和两侧衬砌板属于压弯组合变形构件。     

Pasternak冻土地基梯形渠道冻胀变形与内力计算

为克服现有Winkler模型未考虑渠基冻土连续性的不足,引入Pasternak剪切层描述独立土弹簧间的相互作用,进而提出Pasternak冻土地基上梯形渠道冻胀力学分析方法。对基土均匀冻胀且无顶盖板约束的梯形渠道导出接触面法向应力、衬砌板冻胀位移及截面内力分布的解析式。以甘肃省某梯形渠道为例,应用本文模型和Winkler模型计算各衬砌板冻胀位移分布及接触面法向应力分布,并结合观测值进行了对比。结果表明：本文模型计算结果与观测值符合良好,且相比Winkler模型计算结果更接近观测值,能更加准确地反映衬砌冻胀位移分布规律,表明模型合理性。该模型能较好地体现法向冻胀力随衬砌冻胀变形的释放与衰减;法向冻胀力作用于坡板中下部且呈非线性、差异分布;中上部有脱开、翘起趋势而受法向冻结力作用;底板则只受法向冻胀力作用。研究结果可为梯形渠道抗冻胀设计提供参考。     

考虑冻结力分布特征的两拼式渠道冻胀力学模型

确定混凝土衬砌渠道土与板间冻结力分布形式,建立冻胀力学模型,是定量研究渠道冻胀破坏的关键环节。通过对渠道冻胀机理、破坏特征和抗拉冻结强度影响因素的分析,结合宁夏引黄灌区混凝土衬砌渠道原位监测试验数据特点,将渠基土与衬砌板间的法向冻结力假设为由渠道顶部至渠底呈三角形分布的荷载,同时对任意截面切向冻结力进行分段求解,建立了两拼式U形混凝土衬砌渠道的冻胀破坏力学模型。结果表明:建立的两拼式U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型不仅能计算出弧板内力、最大弯矩作用点,而且可以计算出渠道所受最大法向冻胀力和最大法向冻结力;对比原位监测值以及已有力学模型计算值发现,根据假设的法向、切向冻结力分布所建立的力学模型计算弧板内力值更小,法向冻胀力、最大弯矩对应截面与原位监测数据更吻合。     

弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型研究

针对宁夏引黄灌区混凝土衬砌结构冻胀破坏严重现状,以渠基土为典型湿陷性黄土的弧底梯形砼衬砌渠道为研究对象,建立考虑法向冻结力分布的弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型,计算最大法向冻结力、最大法向冻胀力和衬砌板内力的表达式,并对衬砌板厚度进行验算。结果表明,渠坡板法向冻结力从渠顶至坡脚位置呈线性增大分布,坡板以受剪应力为主,在自重和法向冻结力共同作用下容易产生冻胀裂缝。渠底板受两端坡板约束,以受轴向压力为主,法向冻结力呈均匀分布。     

考虑混凝土衬砌板与冻土接触非线性的渠道冻胀数值模拟

旱寒灌区渠基土中水分在温度梯度作用下向冻结锋面迁移聚集并冻结膨胀,使其上混凝土衬砌板冻胀破坏,以往的线弹性分析方法在数值模拟中将冻土与混凝土衬砌板视为一体,无法反映两者之间的滑移。本文采用符合冻土与混凝土接触面冻结特性的非线性本构模型来合理反映两者的相对滑动及脱离,考虑混凝土的弹塑性及其与冻土的接触非线性,建立能反映混凝土板从弹性到塑性屈服失效过程的渠道冻胀破坏数值模型,并对冻胀过程进行分析。结果表明,未考虑接触非线性的切向冻结力会超过混凝土与冻土最大冻结强度,不符实际;而考虑接触非线性的数值模型更能反映衬砌渠道冻胀破坏过程,更能合理解释渠道冻胀破坏位置在渠底中间和阴阳坡靠近渠底1/3板长处,切向冻结力、法向冻胀力最大值较未考虑接触非线性的要小约50%且分布更均匀。     

大型弧底梯形渠道“适缝”防冻胀机理及应用研究

旱寒区渠道工程上预先在衬砌板易产生裂缝处顺其自然设置纵缝,以防止冻胀破坏。为探明这种纵缝设置的防冻胀机理及其最佳布设形式,基于冻土水-热-力三场耦合理论,考虑纵缝填充的接触本构及衬砌-冻土相互作用,建立了旱寒区常用的大型窄深式弧底梯形渠道冻胀仿真分析模型,以衬砌板上下表面沿周长正应力分布均匀度为一级指标,以其截面正应力满足强度要求为二级指标,对纵缝设置位置、宽度、个数及其组合削减渠道冻胀效果进行了研究。结果表明:弧底衬砌板属于薄拱结构,渠坡板为梁结构,纵缝为可移动弹性铰;纵缝位置及宽度的变化不断调整拱-梁结构的刚度及弹性铰的约束刚度,以适应基土冻胀变形,使衬砌板表面应力均匀化,从而削减冻胀;但纵缝过宽会过度削弱弧底拱效应,使弧底中心和坡板上表面及坡脚下表面拉应力过大,易导致冻胀破坏;单独设缝时坡脚位置设缝防冻胀效果最好,而组合设缝削减冻胀效果更优,尤其是坡脚与坡板组合设缝。以新疆某供水渠道为例,采用坡脚与坡板1/4、3/4处组合设缝,缝宽取1 cm,可满足两级指标,削减冻胀效果最优,可为旱寒区大型渠道防冻胀合理布设纵缝(适缝)提供科学依据。     

弧底梯形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型及其求解

针对弧底梯形断面渠道,考虑复合土工膜和渠基土壤的摩擦力,通过分析复合衬砌渠道的冻胀破坏机理,指出弧底梯形复合衬砌渠道坡板可简化为在冻胀力、冻结力、摩擦力共同作用下的悬臂梁,整个衬砌体属于压弯组合变形结构。通过适当的假设和简化,建立了弧底梯形复合衬砌渠道冻胀破坏力学模型,分别求出渠道坡板和弧形底板内力表达式,并对衬砌板的厚度进行验算。对比混凝土渠道,加入复合土工膜后,衬砌体产生允许范围内的冻胀位移量,使渠基土壤对衬砌体的有效冻胀力和有效冻结力减小,改善了衬砌体本身的受力状态,起到防冻胀破坏的作用,揭示了复合衬砌渠道防冻胀破坏的机理;对比梯形渠道,认为弧底梯形渠道坡板与底板整体结构性更强,反拱作用明显,更有利于渠道的防冻胀破坏。     

限制性航道中船行波传播特性的数值研究

基于完全非线性Boussinesq方程的开源程序包FUNWAVE-TVD建立了限制性航道中船行波运动的数值模型,重点分析了船舶在该类型航道中诱导生成的最大船首孤立波波高、最大船尾波波高以及最大近岸横向流速的时空分布规律。结果表明：模型能较好地捕捉船行波在限制性航道中的演化过程;根据回归分析得到了最大船首孤立波波高η_max与船舶吃水p、弗汝德数F_r的幂函数型经验关系;最大船尾波波高η_max及最大近岸横向流速u_ymax随船舶吃水p和弗汝德数F_r的不同呈分段式变化规律。研究结果可为限制性内河单线航道的设计以及通航要求提供参考。     

景电工程干渠块石换填措施抗冻融效果评价

为解决景电工程干渠红砂土基础在地下水浅埋条件下冬季冻胀量大、暖季融沉滑塌严重的问题,对渠道基础采用块石换填的抗冻胀融沉方案。根据地下水埋深与渠基土冻胀、融沉强度的关系,得到冻土的本构方程,采用COMSOL有限元软件对换填前和换填后渠道衬砌的位移场和应力场进行了对比计算。结果表明:换填后的渠坡、渠底衬砌板法向位移最大值相对于换填前分别减小了53.8%、78.0%;换填后,渠道衬砌最大法向冻胀力和切向冻结力相比换填前分别减小了73.2%和82.8%,且整体分布更均匀。在地下水浅埋和土体遇水软化的水文地质条件下,块石换填渠道具基础有优良的抗冻胀融沉效果。     

整体式U形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏力学模型

通过对整体式小型U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏特征及原因分析,将结构简化为在法向冻胀力、法向冻结力、切向冻结力和重力共同作用下的超静定两铰拱,应用结构力学原理求解出衬砌板的冻胀力及内力图,结合混凝土板抗裂条件,给出了最大拉应力、衬砌板厚和抗冻胀破坏验算的公式,并对整体式与两拼式U形衬砌板冻胀效应进行了比对。结果表明,整体式U形混凝土衬砌渠道由于具有冻胀变形均匀、法向冻胀力小、抗冻胀能力强等特点,优于传统的两拼式U形渠道断面。     

新疆北疆某供水渠道冻胀融沉变形性状分析

针对冻土区季节性输水渠道冻融破坏问题,选取新疆北疆某长距离供水渠道作为研究对象,开展冬季冻胀、春季融沉、通水期及停水后等四种工作状态下阴面渠坡的原位监测试验,研究分析一个完整运行周期内地层岩性为膨胀型沙质泥岩阴面渠坡法向及顺坡向变形性态,并对冻胀变形进行了数值模拟。结果表明:在冻胀期,渠坡顺坡向收缩变形0.3～6.0 mm,坡脚法向隆起变形97.9～115.6 mm;在融沉期,渠坡沿坡面向下滑移约10.0～30.0 mm,顺坡向变形较大的渠段其坡脚法向隆起变形呈增大趋势,最大隆起量为144.0 mm,顺坡向变形较小部位其坡脚法向变形呈沉陷状态,变形量约186.0 mm。通水前后,渠坡顺坡向变形增加约4.0 mm,坡脚法向已隆起部位变形量有所减少,坡脚法向沉陷部位变形增加68.4～80.8 mm。停水后,渠坡法向隆起或沉陷部位的变形不大,已发生衬砌板开裂或错台的部位的顺坡向变形进一步增加约8 mm。研究成果对该渠道工程维修提供了可靠的技术支持,具有一定参考价值。     

考虑预制混凝土“设缝”作用的梯形渠道冻胀机制影响研究

寒区衬砌渠道输水能力下降主要是由常年冻融作用下衬砌结构发生冻胀破坏所致,针对渠道衬砌结构冻胀破坏问题提出渠坡板纵向设缝的抗冻措施与数值分析方法。本文通过将渠道衬砌板与冻土视为整体处理的方法构建混凝土衬砌渠道热力耦合冻胀模型,以甘肃省景泰灌区某混凝土衬砌渠道为研究对象,考虑不同设缝措施与纵缝填充的接触本构对3种工况进行抗冻影响因素分析。结果表明：渠底深部基本不受渠道整体几何边界的影响,但渠道边界尺寸和基土热流分布均对基土上部温度场变化具有显著影响。渠道阴坡、渠底和阳坡最大冻深分别为86.3、67.5、58.2 cm。通过合理设缝措施可使渠道阴坡法向冻胀力降低40.7%、底板冻胀量减小63.5%、切向冻胀力降低43.8%,使渠道断面冻胀分布趋于均匀,且模型分析与实测结果相符,表明本文构建模型的合理性。研究结果可为长距离输水渠道数值计算提供理论依据。     

Enhanced Channel Division Method for Estimation of Discharge in Meandering Compound Channel

Accurate prediction of shear force distribution along the boundary in open channels is a key to the solution of numerous hydraulic problems. The problem becomes more complicated for meandering compound channels. A model is developed for predicting the percentage of shear force at the floodplain (%S_fp) of two-stage meandering channels using gene-expression programming (GEP) by considering five dimensionless parameters viz. the width ratio, relative depth, sinuosity, bed slope, and meander belt width ratio as the inputs in the model. Basing on the %S_fp, the apparent shear force along the division lines of separation in compound channels is selected for discharge calculation using the conventional channel division methods. An Enhanced Channel Division Method (ECDM) is introduced to calculate discharge by assuming interface line at main channel and floodplain junction. A modified variable-inclined (MVI) interface is suggested having zero apparent shear determined from flow contribution in the main channel and floodplain. The MVI interface is further used to calculate discharge in the meandering compound channels. Performance of the GEP model is tested against other analytical methods of calculating %S_fp. Error between the observed and calculated discharges using the MVI interface is found to be the minimum when compared to other interface methods. The enhance channel division method is successfully applied for validating the two available overbank discharge values for the river Baitarani at Anandapur (drainage area of 8570 sq. km), giving the minimum errors of 0.31% and 1.02% for flow depths of 7.5 m and 8.63 m, respectively.

     

寒区弧底梯形衬砌渠道冻胀破坏的尺寸效应研究

为探明地下水埋深、冻深及渠深对冻土地基上弧底梯形衬砌渠道冻胀破坏的影响规律,依据毛细理论将渠道冻胀分为封闭系统、半开放系统和开放系统;基于冻土水热力三场耦合理论,利用多场耦合软件COMSOL Multiphysics模拟研究了30组不同尺寸衬砌渠道的冻胀位移场和应力场。结果表明:规范建议的衬砌厚度内,渠道规模越大越窄深、冻深越大、地下水埋深越浅,则衬砌渠道冻胀破坏越严重。封闭系统,中小型衬砌渠道为渠底中心下表面拉裂,大型渠道为渠底中心下表面和距渠顶2/3坡长处上表面拉裂;半开放系统,中小型渠道为渠底中心上表面拉裂,大型渠道为渠底中心上表面和坡脚下表面拉裂;开放系统,小型渠道为渠底中心上表面拉裂,中型渠道为坡脚上表面拉裂,大型渠道为渠底中心下表面和距渠顶2/3坡长处上表面拉裂。该研究揭示了渠道衬砌冻胀破坏的尺寸效应,对弧底梯形衬砌渠道抗冻胀设计及衬砌结构合理设缝具有指导意义和定量化参考。     

Design of earthen vegetated open channels

Modified formulas for Manning's equation are developed for use in the design of earthen open channels with submerged aquatic weeds. The proposed relations have their basis in field and experimental data. A multiple regression analysis was used to develop a relationship between the mean velocity, hydraulic radius, and water surface slope. The new formulas are dependent on the distribution of weeds along the channel's wetted perimeter and the percentage of vegetation density with respect to the cross-section area of the waterway.Notation A cross-section area - A _w area of weeds - B ₁ top width of channel flow - g acceleration of gravity - h height of roughness element - n Manning's coefficient - Q discharge of flow - R hydraulic radius - S water surface slope - S ₀ bed surface slope - V mean flow velocity     

苏阿皮蒂水利枢纽泄洪底孔坝段应力变形分析

利用三维有限元方法,对苏阿皮蒂水利枢纽泄洪底孔坝段在竣工期和运行期进行了四种工况的数值模拟分析,得到了坝体结构的应力变形情况。由计算结果可知,竣工期在自重荷载作用下,整个坝体往上游方向发生位移,位移自下而上逐渐增大;运行期受上游水压力和地震惯性力作用,整个坝体往下游方向发生位移,位移自下而上逐渐增大;四种工况下,坝体位移分布连续,最大位移均较小,变形满足要求;竣工期和运行期的坝体结构、坝踵、坝趾应力均满足重力坝设计规范要求。     

考虑接触行为的U型渠道冻胀数值模拟

U型衬砌渠道具有良好的整体性和冻胀适应性,但在冬季仍极易因土体冻胀而导致破坏。考虑渠基冻土与衬砌接触面冻结的非线性特性和冻土、混凝土材料的塑性特征,建立能分析渠道基土与衬砌间挤压、脱开及滑移等接触力学行为的渠道冻胀破坏热力耦合数值模型。以宝鸡峡灌区塬下北干渠为原型渠道,按照模型是否考虑接触分别进行冻胀数值模拟,并对模拟结果进行对比分析。结果表明:考虑接触的模型模拟结果与原型实测值更相符,更能合理地解释U型渠道冻胀在渠底与阴坡衔接处冻胀量最小;考虑接触的混凝土塑性应变最大值是不考虑接触时的3.76倍;考虑接触的法向冻胀力和切向冻结力更均匀,最大值均减少1.5~3.0倍,应力集中现象减弱,更能反映混凝土衬砌板与渠基土之间的滑移变形与破坏准则的相互作用。研究结果为U型衬砌渠道冻胀破坏规律提供了分析方法。