浅议渠道冻胀处理方式的选择

渠道的冻胀破坏是由土壤中的水、土体颗粒物理性质和负温所致,大多发生在灌区的中下部。渠道防冻胀处理可通过改变渠道结构形式、改变渠基土体的基本结构、使用新型建筑材料等来实现。对今后的渠道设计、施工和新型防冻材料的大面积推广提供可借鉴的经验。     

浅析塔里木垦区衬砌渠道冻害原因及其防治措施

通过分析研究，塔里木垦区衬砌渠道冻害主要有冻胀破坏和冰冻破坏。冻胀破坏是由士壤中的水、土体颗粒物理性质和负温所致，大多发生在渠道的中下部。冰冻破坏是由于渠道结冰后渠道衬砌材料受冰压力使渠道受到破坏变形。渠道防冻害处理可通过设计选线、改变渠道结构形式、改变渠基土体的基本结构、使用新型建筑材料及运行管理等方法来实现。对渠道防冻害处理方式的选择，关系到渠道的造价和施工的难易，在今后的渠道设计与运行管理中不断地总结经验，进一步完善衬砌渠道防冻理论和实际运用研究，总结衬砌渠道防冻害的有效措施，加以推广应用。     

浅析玛纳斯河冬季渠道冻胀破坏和防护措施

在北方,受冬季寒冷气温的影响,输水渠道常因渠基垫层土体水分冻结、土体膨胀而受到冻胀破坏。因此,研究渠道冻胀破坏的机理,采取有效的预防措施,防止冻胀对工程造成的破坏,对保证渠道的正常运行意义重大。本文以新疆维吾尔自治区玛纳斯河流域管理处东岸大渠为例,简单分析了如何防止渠道冬季冻胀破坏和防护处理措施。     

试论渠道防渗的冻胀问题处理

新疆额敏县额敏河北部灌区续建配套与节水改造工程二期工程项目实施至今,以修建预制砼板防渗渠道为主。现就额敏县额敏河北部灌区二期渠道预制砼板冻胀调查为例说明,导致土体冻胀的三个基本因素(温度、土壤性质、水分),只有三个因素同时具备,才发生冻胀破坏。     

土工袋防渠道冻胀水-热-力耦合数值模拟

根据水-热-力耦合计算模型,编制相应的有限元计算程序,并结合寒冷地区渠道工程进行数值计算,分析渠道建成后2 a内渠坡的温度场、水分场及位移的分布规律。计算结果表明:渠坡在冻融过程中表现出显著的冻胀、融沉变形特性,且冻胀和融沉变形不可逆;土工袋处理渠道对冻土渠坡具有较好的防冻胀效果,土工袋具有较小的导热性,可以有效减小渠坡内部土体温度受大气温度的影响,从而减小渠坡发生冻胀融沉变化的可能性;土工袋可以抑制毛细水和薄膜水的上升,可减小土工袋层及下部土体中的水分迁移,从而保持渠道内较为稳定的含水量,减小渠坡表层的冻胀量;土工袋具有一定的强度且在自身袋子张力作用下能够抑制部分冻胀变形,从而减小渠道衬砌体由冻胀引起的破坏。同时,渠道表层用土工袋处理后,渠坡内部温度可以较快达到稳定状态,运行2 a后可在地基2 m以下位置形成较为稳定的常年冻结层。     

温-水-土-结构耦合作用下寒区梯形衬砌渠道结构形体优化

为提高寒区大型梯形渠道结构输水及抗冻胀破坏能力,采用分层序列法构建渠道断面水力与抗冻胀双目标优化方法。为准确反映温、水、土等外环境与衬砌结构耦合作用所导致的渠道冻胀变形过程,基于冻土水-热-力耦合冻胀理论建立了衬砌渠道冻胀分析模型。以水力最优为第1层次优化,以所得形体几何参数作为抗冻胀优化的解集空间;在第2层次的抗冻胀优化过程中提出了衬砌结构整体刚度指标,并以整体刚度指标最小作为优化目标,以衬砌允许最大法向位移和拉应力作为约束条件;通过COMSOL软件二次开发对冻胀模型控制方程进行有限元求解。工程算例表明:优化结果体现了对渠道行水和衬砌抗冻胀的改进;与原设计相比,优化后渠道结构整体刚度系数减小30%～48%,提高了对冻胀变形的适应能力。该方法可为类似工程设计提供参考。     

石灰改良路基土的冻胀特性

为探求石灰改良路基土的冻胀特性,采用百分袁、冻融试验箱等组成冻胀试验装置,通过同条件试件内部温度传感器,实时观测试件内部冻结温度,对试验土体进行了开敞式室内冻胀试验.试验结果表明:在相同的含水率下,石灰掺量越大,土体冻胀率越小,土体起始冻胀的温度区间为-2℃左右,当温度降至-10℃时冻胀基本结束,-2℃～-8℃为冻胀现象明显的温度区间,冻胀随温度降低呈现4个阶段的变化;含水率越大,冻胀率越大,掺灰剂量越大,起始冻胀含水率越高;石灰的掺加在一定程度上能抑制土体的冻胀现象.     

冬季冻区混凝土输水渠道冻胀特性的数值模拟

根据新疆玛纳斯河流域红山嘴四级电站引水渠道的气温观测资料以及衬砌渠道冻胀破坏特征,利用对流传热公式并采用有限元软件按稳态热分析计算温度场,对冬季输水混凝土衬砌渠道冻胀过程进行了数值模拟,研究了渠道在冬季输水状态下的土体冻胀变形规律。计算结果表明:冬季输水渠道渠坡板的法向冻胀力峰值要比冬季停水渠道渠坡板法向冻胀力峰值高,且距离水位面1/3~1/2以上的渠坡板处易发生冻胀破坏,而现有渠道设计中过水断面的形式和结构设计均未考虑冬季输水状态下渠道法向冻胀力与切向冻胀力与停水渠道受力之间的差异,以及破坏位置的上移,这是不符合实际的。     

季节性冻土区铁路接触网立柱桩基础冻胀变形数值模拟研究

季节性冻土区铁路接触网基础常因土体冻胀影响,发生拔起、倾覆等工程病害,严重影响电气化铁路供电安全与平稳运营。为分析接触网基础受土体冻胀的影响过程,本研究基于热-力耦合理论,考虑土体冻胀正交各向异性、温度对路基土体冻胀率的影响等关键因素,选取川藏铁路沿线昌都、康定、理塘三地区全年气温变化条件,分析全年不同时期接触网立柱基础冻胀变形特征。结果表明:桩基整体呈现上拔、外倾趋势,桩基整体位移量与冻深呈现正相关关系,而冻深与全年气温条件显著相关。建议可以通过保温隔热等防护措施减小冻深,从而达到改善桩基冻胀变形,提高基础冻胀抗拔稳定性的目的。     

高台县渠道衬砌防冻胀成因分析及措施

冻胀是造成高台县节水改造工程渠道破坏的主要因素,同时抗冻胀问题处理也是渠道工程建设中的重点和难点,通过渠道冻胀破坏机理分析和各种抗冻胀措施对比,指出了采用的各种防冻胀措施的优缺点,对今后渠道工程抗冻胀问题处理具有重要意义。     

考虑土体结构劣化的高原山区桩-土体系数值分析

高原山区土体常年受冻融循环作用,结构不断劣化,导致桩-土界面作用削弱,对 构筑物稳定性产生不利影响 . 本文开展室内试验结合数值模拟,构建了土体在冻融循环作用 下的结构劣化模型,建立了考虑土体结构劣化的水-热-力耦合数学模型并验证了其可靠性 . 基于此,对服役期内高原山区桩-土体系稳定性进行了数值分析 . 试验结果表明,冻融循环条 件下,土体渗透系数及孔隙比随冻融次数增加呈对数型增大,土体黏聚力随冻融次数增加呈 指数型减小,内摩擦角随冻融次数增加呈对数型增大. 服役期内,桩周土体最大冻胀位移随服 役年限增加逐渐减小,最大融沉位移逐年增大,桩周土体整体呈融沉趋势;桩基冻胀位移随服 役年限增加逐渐减小,融沉位移逐年增大,冻胀融沉增长速率不断减小,但桩基融沉位移大于 其冻胀位移. 试验结果可为高原山区桩基础设计提供技术支持与理论指导.     

季节性冻土路基冻胀影响因素分析

路基冻胀是季节性冻土区公路中特有的破坏现象,也是主要病害之一。研究季节性冻土区的冻胀机理及其影响因素,对保障季节性冻土区的路基稳定、控制路基沉降、提高路基耐久性具有重要意义。本文分析了季节性冻土区路基冻胀的几个主要影响因素,从土体土质、土体水分和土体温度三个主要因素分析它们对土体冻胀的影响,为季节性冻土区路基施工提供理论指导。     

基于横观各向同性冻土的U形渠道冻胀数值模拟

将冻土分别视为各向同性和横观各向同性线弹性材料,把渠基冻土和渠道衬砌作为一个整体结构,视基土冻胀为热胀冷缩的特殊情况,应用大型有限元通用软件ANSYS,对U形混凝土衬砌渠道冻胀进行热应力耦合数值模拟,计算渠道冻胀的温度场、应力场和变形场,研究衬砌板冻胀力和变形规律,并对结果进行对比分析.结果表明,数值模拟方法能较好地反映U形混凝土衬砌渠道的冻胀机理和冻胀温度场、应力场及变形场的基本规律,横观各向同性比各向同性更能反映冻土的本构模型,与实测成果吻合更好,可用于U形混凝土衬砌渠道抗冻胀设计.     

基于分形和神经网络相结合的土体冻胀量预测

根据土体的粒度分布具备分形性质的特征，通过理论分析和计算获得了所研究土体的分形维数，从而实现了土体结构特征的量化，为采用神经网络对冻胀量的预测过程中考虑士体的结构特征奠定了基础。在研究了BP神经网络的基础上，建立了其拓扑结构，采用L-M优化算法进行了迭代求解，预测结果与试验结果具有良好的一致性和吻合度，反映了土体冻胀过程的非线性特征和局部特征，弥补了理论模型和数值分析中无法考虑土体内部结构的缺陷，以及在预测中考虑土体的结构特征是必要的。     

整体式U形渠道不同断面结构抗冻胀性研究

针对倾角与渠道衬砌抗冻胀性定量关系存在不足的问题，以河套灌区D80整体式U形渠道为例，结合力学模型和数值模拟，分析不同条件下适用于当地冻胀环境的整体式U形渠道断面结构.结果表明:倾角越小渠道越窄深，渠顶水平冻胀量越大，渠底应力越大；反之，倾角越大渠道越宽浅，渠底竖向冻胀量越大.渠基土冻胀性、渠道混凝土衬砌强度和厚度对渠道抗冻胀性影响较大.对于亚黏土基土，选择0.07m厚衬砌，10°倾角为宜；对于粉土基土，选择0.08m厚衬砌，13°倾角为宜.     

水-热-力耦合作用下寒区弧底梯形渠道结构优化设计

为合理优化设计寒区弧底梯形渠道的形体结构,基于冻土水热力三场耦合及冻土-衬砌相互作用的渠道冻胀数值模型,结合分层序列法将渠道断面水力参数最优解集作为变量空间,以衬砌结构的强度、刚度及几何构造为约束条件,以衬砌适应冻胀变形能力为目标函数,建立寒区弧底梯形渠道水力-抗冻胀双优数学模型。随后对寒区各类典型渠道工程进行双优结构标准化设计,得到弧底梯形渠道在不同负温、地下水埋深、土质、断面规模下的双优边坡系数、实佳比及衬砌厚度的标准参数,供工程设计参考。研究结果表明：双优结构尺寸参数均随地下水埋深的增大而减小、随基土冻胀率的增大而增大、随冬季负温的降低而增大、随断面规模的增大而增大。以新疆某渠道工程为例,优化后的断面实佳比为1.02,较原设计值增大1.8%;最大法向冻胀量为2.52 cm,较原设计值增大20.0%;最大拉应力为0.95 MPa,较原设计值减小60.4%;衬砌整体柔度为305.47 cm/MPa,较原设计值增大42.3%,水力性能及抗冻胀性能均达到最优。     

冻结凿井中冻胀数值分析

为研究土体冻胀对冻结壁受力的影响,采用ANSYS有限元软件模拟深井冻结凿井施工中的土体冻胀情况,并结合现有冻结理论分析单圈冻结下冻胀位移场和应力场的变化规律。结果表明：冻结壁外侧土体冻胀位移均为正（向外）,内侧均为负（向内）,外侧明显大于内侧;冻结壁内侧冻胀应力远大于外侧,内外冻胀应力差使冻结壁不断向外变形;积极冻结初期冻结壁内部应力复杂,积极冻结后期,其内部应力状态趋于平缓。     

渠道防渗中出现冻胀的原因及处理办法

通过对渠道防渗中的冻胀问题进行分析,总结出影响渠道冻胀的主要因素,并结合实际情况,探讨了处理办法。     

冻胀过程管土相互作用规律及受力特征

为研究冻胀过程中管-土之间的相互作用规律及受力特征,以不锈钢管及冻胀敏感性粉质黏土为材料,在没有外界水源补充的小型环境模型试验机中进行试验。首先,黏贴电阻应变片于管道上,并将管道及其支架放置于敞口保温箱内;其次,填装土样并同步在每个测点布置温度、水分和土压力传感器;最后,在试验过程中实时监测土体的温度、含水率、土压力、冻胀量及管道的变形和应力等变量,主要分析与讨论降温阶段即持续70 h的冻胀阶段所采集数据。研究结果表明:冻胀过程中管道抑制土体冻胀的实质是抑制土体的水分迁移;管土之间相互协调发展且始终保持着动态平衡,冻胀导致管道发生变形的同时管道又约束着土体的冻胀,冻胀受约束而产生土压力;管道变形以及与管道的距离决定管道对土体冻胀的约束程度;管道变形越小,约束率越大,土压力越大,水分迁移量越小,冻胀越小;而同一时刻管轴线两侧土体的冻胀明显比管底土体的大,且距离管道越远的位置,约束率越小,土压力越小,水分迁移量越大,冻胀越大;土压力随着时间而增大,与约束率呈指数增大的关系,但与冻胀呈指数衰减的关系;冻胀引起管道产生轴向及环向应力,轴向最不利应力分布位置为管中4/8处;环向应力的存在说明管道发生截面变形,在较大的冻胀力或外荷载作用在管道上时,环向应力的影响不可忽视。     

叶尔羌河灌区混凝土防渗渠冻胀破坏的观测研究

针对新疆南疆地区叶尔羌河灌区水系建筑中的混凝土衬砌板渠道冻胀破坏严重这一现象,通过工程实践,从渠道防渗的冻害机理、冻胀破坏及防治措施三方面进行了分析、探讨。