西北寒区渠道工程冻融灾害链式试验研究
摘：国部分区处季节性冻土区永久冻土区纬度较高存灾害渠道冻胀破坏文针渠道冻胀灾害发生形成条件链式灾害理渠道衬砌结构冻胀破坏形成发展做详细说明通建立渠道冻胀破坏链式模型结合现场原型渠道试验冻结期相关数通渠基土体温度场应力应变场变化分布规律研究渠道冻胀破坏程中渠道部位冻深渠道工程实施提供帮助
关键词：冻土区渠道冻胀冻结期应力应变场
Chain Experiment of Freezing thawing Disaster in Channel Works in Cold Regions of Northwest China
Abstract Most parts of our country are in seasonal frozen and permafrost regions with high latitudes The main disaster is the destruction of canal frost heaving In this paper according to the formation conditions of canal frost heave disasters and according to the chain disaster theory the formation and development of frost heave of channel lining structure are described in detail By establishing a chain model of frost heaving and destroying channels and combining with the prototype test in the field the relevant data of the freezing period are obtained Finally through the study of the variation of temperature field and stress and strain field in canal foundation In the different parts of the channel the largest deepfrozen the channel for the implementation of the project to provide help
Key words PermafrostChannel frost heaveFreeze periodStressstrain field
0引言
渠道国输送水资源重方式[12]北方季节冻土区渠系利率低[3]渠基土冻胀发生破坏降低渠道输水功效率导致量灌溉水渗漏[4]渠道工程寒区受冻胀破坏影响情况严重解决渠道防渗抗冻胀问题发展节水农业重保障[5]
二十世纪六十年代陈爱新[6]等毛细理土体产生冻胀力冻胀进行分析出定量计算提出冰透镜体产生冻胀压力抽吸压力存陈玉超[7]等冻土中热质转移水分运移引起水热力场耦合问题进行探究通适假设条件建立模型方程出土体冻结规律
文基相关理研究结合前研究结果西北某型灌区渠道研究象进行科学研究通建立试验模型寒区渠道工程冻融灾变水分场温度场链式作机理进行研究提出更加合理抗冻胀工程措施工程实施提供参考
1 寒区渠道工程限元模拟
11限元计算基假定
试验采ABAQUSStandard通分析模块设定模型参数施加种类型荷载提交监视分析作业文考虑水热力三场耦合数值模拟冻土视冷胀材料模拟程采合理简化假设渠基冻土连续均匀性材料渠基土冻结程作稳态热传导程
12 渠道冻胀数值模拟
较原型试验数值模拟计算结果采4节点面应变单元划分网格选取渠基土顶15m位置边界界定离渠道坡3m图 1 渠道限元网格示
图 1 渠道限元网格
表 1 冻土材料参数表知冻土泊松035混凝土衬砌板导热系数065W(m·℃)层土体受外界影响较导热系数较
表 1 冻土材料参数
材料
泊松
线膨胀系数
弹性模量Pa
密度(kgm3)
冻土
035
12×105
20×1010
混凝土
017
15×105
31×1010
2550
填缝材料
053
0
3×105
层土体
031
0
51×1010
13 温度场力场模拟计算
图 2 渠基温度场分布图知渠道位置温度阴坡温度梯度稍阳坡实际工程情况相符合渠基土底部含水率高渠道边坡温度等值线越底部越接水直线渠底温度梯度远远渠坡阴坡冻深1452cm阳坡冻深1331cm渠底冻深1448cm
图 2 渠基温度场分布
冻土两侧竖直段设置水方约束模型施加静力图 3 渠基位移场分布示图知渠底基土产生冻胀量阳坡冻胀变形发生渠道底部1231cm渠底板渠坡板接坡脚位置相互约束冻胀量较
图 3 渠基位移场分布
2 渠道冻融原型试验
21 试验仪器观测方法
试验仪器作表 2 试验仪器示
表 2 试验仪器
测试名称
仪器
作
温测量
WS4温度计
测定渠基土体温度
气温测量
温度计
测量日高低温度
冻胀变形测量
纬仪水准仪
测定冻胀位移值
渠基土壤水分
土钻
测定土壤含水率
冻胀应力
荷重传感器
测量衬砌冻胀应力
膜性
TZY1综合测定仪
检测土工膜性
温进行测量时应年10月份进入冻结期开始观察天3时9时15时21时土壤温度记录高低气温值冻胀力冻深测量样进入冻结期开始日测量冻深数冻胀力数值
距离渠道12 m位置处设立埋深25m基准高程点利水准仪测量垂直冻胀位移纬仪测量水冻胀位移量观测日渠底阳坡阴坡测点处衬砌体表面测量垂直水位移量矢量合成冻胀变形
22 试验方案
原型试验区位新疆阜康某型灌区均土体冻深2m渠基土体低液限粉土防渗效果般历年冻深26m试验区水位超12m相关土壤性表 3 渠基土壤性参数示
表 3 渠基土壤性参数
属性
液性指数
密度(g·cm3)
压缩模量(MPa)
压缩系数(MPa1)
粉土
055085
155168
6580
020035
试验渠道东西走设计流量25m3s混凝土衬砌板15cm等厚板底板坡板采混凝土现浇试验开始前周排空渠道水渠道总长度65m渠道深35m边坡系数10温测段长250 cm渠道冻胀应力测段长 435cm土壤冻深测段长288cm复合衬砌渠道冻胀变形测段长330cm测试点分渠底中心（O）设计水位点（S1N1）23设计水位点（S2N2）13设计水位点（S1N1）
3 寒区渠道工程冻融灾害链式试验研究
31 渠道冻胀破坏机理特征分析
土体水分断迁移导致渠基土发生均匀冻胀原水分发生运移深度范围运移量较少图 4 冻结期渠基测点含水率深度变化趋势示图知055cm范围渠基土体含水率着深度增加增渠道底部含水率阳坡含水率明显阴坡含水率55100cm范围着深度增土体含水率逐渐减
a 阳坡 b 渠底
c 阴坡
图 4渠基测点含水率深度变化趋势
表 4渠基土体深度65cm处水分变化数表中数冻结期渠基土体水分变化值15发生渠底O处水分迁移融水期水分变化量值出现O点12水分消散
表 4渠基土体深度65cm处水分变化
位置
阴坡()
渠底()
阳坡()
测点
N1
N2
N3
O
S1
S2
S3
初始含水量
22
24
25
24
22
24
25
冻结期
+23
+25
+34
+151
+33
+25
+19
融化期
59
42
38
12
17
12
08
试验测衬砌渠道测点冻胀变形量值表 5 冻胀量冻胀力土体冻深观测值示表阴坡测点S3渠底测点O处冻胀变形量分135cm125cm阳坡冻胀变形量冻胀力值出现阴坡S3测点处185MPa次渠底O测点处165MPa阳坡测点处冻胀力远测点气温降阶段冻胀力出现阴坡底部13处着温度升冻胀应力减终负值
表 5 冻胀量冻胀力土体冻深观测值
位置
阳坡
渠底
阴坡
测点
N1
N2
N3
O
S1
S2
S3
冻深(cm)
122
125
124
148
145
141
144
冻胀量(cm)
66
43
57
125
135
113
99
冻胀力(MPa)
125
155
157
165
185
107
126
利TZY1型综合测定仪选取部位复合土工膜试验单元检测复合土工膜变形强度冻融周期复合土工膜伸长率强度变化值表 6 复合土工膜强度变形值示表知抗拉强度损失率10横抗拉强度损失值45kNm发生渠底部位抗拉强度损失值52Knm发生渠底土工膜伸长率减约10满足土工膜强度减位置出现渠底板渠坡交接点13处
表 6 复合土工膜强度变形值
部位
单元
抗拉强度Knm
横抗拉强度Knm
极限伸长率
阳坡
1
465
521
135
2
471
532
133
3
478
510
136
底部
4
478
525
131
5
426
480
132
6
464
498
130
阴坡
7
483
501
135
8
481
502
138
9
474
505
139
32 渠道冻胀链式分析
通分析实测渠基土体温度水分数研究分析三场耦合作水分运移冻土部温度间相关性表7渠基10cm处水分运移量冻结温度渠道冻深值表知考虑冻结期水渠基土水分补作冻结期初始水分参土体水分运移发生运移深度范围较水分聚集运移量48冻结作消失均水分消散运移量45中+表示水分迁移表示水分消散
表7渠基10cm处水分运移量冻结温度渠道冻深
测点
融化期迁移率
冻结期迁移率
冻深cm
冻结温度℃
N1
+27
45
126
172
N2
+33
42
131
197
N3
+29
44
124
231
O
+85
38
144
262
S1
+66
46
145
232
S2
+47
49
148
221
S3
+43
52
142
291
均值
+45
48
134
223
4 结
文通渠道冻胀破坏程中素间链式关系研究结合具体工程实例渠道冻胀破坏时期引起冻胀素间链式规律进行分析结：
（1）利ABAQUS限元分析软件渠道温度应力场变形场模拟受力冻胀规律进行计算分析通合理简化假设选取合理参数冻结期冻土衬砌板视整体考虑受力变形特性发现渠道整体结构抬起渠道衬砌板表面应力渠道坡板 13底板处较原型试验观测相符
（2）渠道衬砌结构冻胀破坏链式机理进行分析研究发现冻胀现象温水分分布作响应土体水分迁移受温土体性质作影响气温温变化趋势直接影响混合衬砌渠道渠基土冻深发展冻深值渠道冻胀变形量发生渠道底部 O 点渠基土水分含量土层深度变化变化
参考文献
[1]王掌权许健郑翔等反复冻融条件黄土边坡稳定性分析[J]中国质灾害防治学报201728(02)1521
[2]张意姜海波王正成寒冷区输水渠道冻胀破坏链式分析减灾研究[J]冰川冻土201638(06)16071614
[3]刘义高高原冻融环境公路边坡稳定性分析[J]公路工程201540(05)5659+95
[4]高明李全侯新伟等通河源区冻融作生态环境效应[J]山学报201533(02)141147
[5]张中琼吴青柏周兆叶年冻土区冻融灾害风险性评价[J]然灾害学报201221(02)142149
[6]陈爱新北京区表土冻融工程建设影响[J]城市勘测2009(06)155157
[7]陈玉超杨更社范建兵寒区边坡冻融灾害分类探讨[J]山西建筑2006(14)8283
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摘：国部分区处季节性冻土区永久冻土区纬度较高存灾害渠道冻胀破坏文针渠道冻胀灾害发生形成条件链式灾害理渠道衬砌结构冻胀破坏形成发展做详细说明通建立渠道冻胀破坏链式模型结合现场原型渠道试验冻结期相关数通渠基土体温度场应力应变场变化分布规律研究渠道冻胀破坏程中渠道部位冻深渠道工程实施提供帮助
关键词：冻土区渠道冻胀冻结期应力应变场
Chain Experiment of Freezing thawing Disaster in Channel Works in Cold Regions of Northwest China
Abstract Most parts of our country are in seasonal frozen and permafrost regions with high latitudes The main disaster is the destruction of canal frost heaving In this paper according to the formation conditions of canal frost heave disasters and according to the chain disaster theory the formation and development of frost heave of channel lining structure are described in detail By establishing a chain model of frost heaving and destroying channels and combining with the prototype test in the field the relevant data of the freezing period are obtained Finally through the study of the variation of temperature field and stress and strain field in canal foundation In the different parts of the channel the largest deepfrozen the channel for the implementation of the project to provide help
Key words PermafrostChannel frost heaveFreeze periodStressstrain field
0引言
渠道国输送水资源重方式[12]北方季节冻土区渠系利率低[3]渠基土冻胀发生破坏降低渠道输水功效率导致量灌溉水渗漏[4]渠道工程寒区受冻胀破坏影响情况严重解决渠道防渗抗冻胀问题发展节水农业重保障[5]
二十世纪六十年代陈爱新[6]等毛细理土体产生冻胀力冻胀进行分析出定量计算提出冰透镜体产生冻胀压力抽吸压力存陈玉超[7]等冻土中热质转移水分运移引起水热力场耦合问题进行探究通适假设条件建立模型方程出土体冻结规律
文基相关理研究结合前研究结果西北某型灌区渠道研究象进行科学研究通建立试验模型寒区渠道工程冻融灾变水分场温度场链式作机理进行研究提出更加合理抗冻胀工程措施工程实施提供参考
1 寒区渠道工程限元模拟
11限元计算基假定
试验采ABAQUSStandard通分析模块设定模型参数施加种类型荷载提交监视分析作业文考虑水热力三场耦合数值模拟冻土视冷胀材料模拟程采合理简化假设渠基冻土连续均匀性材料渠基土冻结程作稳态热传导程
12 渠道冻胀数值模拟
较原型试验数值模拟计算结果采4节点面应变单元划分网格选取渠基土顶15m位置边界界定离渠道坡3m图 1 渠道限元网格示
图 1 渠道限元网格
表 1 冻土材料参数表知冻土泊松035混凝土衬砌板导热系数065W(m·℃)层土体受外界影响较导热系数较
表 1 冻土材料参数
材料
泊松
线膨胀系数
弹性模量Pa
密度(kgm3)
冻土
035
12×105
20×1010
混凝土
017
15×105
31×1010
2550
填缝材料
053
0
3×105
层土体
031
0
51×1010
13 温度场力场模拟计算
图 2 渠基温度场分布图知渠道位置温度阴坡温度梯度稍阳坡实际工程情况相符合渠基土底部含水率高渠道边坡温度等值线越底部越接水直线渠底温度梯度远远渠坡阴坡冻深1452cm阳坡冻深1331cm渠底冻深1448cm
图 2 渠基温度场分布
冻土两侧竖直段设置水方约束模型施加静力图 3 渠基位移场分布示图知渠底基土产生冻胀量阳坡冻胀变形发生渠道底部1231cm渠底板渠坡板接坡脚位置相互约束冻胀量较
图 3 渠基位移场分布
2 渠道冻融原型试验
21 试验仪器观测方法
试验仪器作表 2 试验仪器示
表 2 试验仪器
测试名称
仪器
作
温测量
WS4温度计
测定渠基土体温度
气温测量
温度计
测量日高低温度
冻胀变形测量
纬仪水准仪
测定冻胀位移值
渠基土壤水分
土钻
测定土壤含水率
冻胀应力
荷重传感器
测量衬砌冻胀应力
膜性
TZY1综合测定仪
检测土工膜性
温进行测量时应年10月份进入冻结期开始观察天3时9时15时21时土壤温度记录高低气温值冻胀力冻深测量样进入冻结期开始日测量冻深数冻胀力数值
距离渠道12 m位置处设立埋深25m基准高程点利水准仪测量垂直冻胀位移纬仪测量水冻胀位移量观测日渠底阳坡阴坡测点处衬砌体表面测量垂直水位移量矢量合成冻胀变形
22 试验方案
原型试验区位新疆阜康某型灌区均土体冻深2m渠基土体低液限粉土防渗效果般历年冻深26m试验区水位超12m相关土壤性表 3 渠基土壤性参数示
表 3 渠基土壤性参数
属性
液性指数
密度(g·cm3)
压缩模量(MPa)
压缩系数(MPa1)
粉土
055085
155168
6580
020035
试验渠道东西走设计流量25m3s混凝土衬砌板15cm等厚板底板坡板采混凝土现浇试验开始前周排空渠道水渠道总长度65m渠道深35m边坡系数10温测段长250 cm渠道冻胀应力测段长 435cm土壤冻深测段长288cm复合衬砌渠道冻胀变形测段长330cm测试点分渠底中心（O）设计水位点（S1N1）23设计水位点（S2N2）13设计水位点（S1N1）
3 寒区渠道工程冻融灾害链式试验研究
31 渠道冻胀破坏机理特征分析
土体水分断迁移导致渠基土发生均匀冻胀原水分发生运移深度范围运移量较少图 4 冻结期渠基测点含水率深度变化趋势示图知055cm范围渠基土体含水率着深度增加增渠道底部含水率阳坡含水率明显阴坡含水率55100cm范围着深度增土体含水率逐渐减
a 阳坡 b 渠底
c 阴坡
图 4渠基测点含水率深度变化趋势
表 4渠基土体深度65cm处水分变化数表中数冻结期渠基土体水分变化值15发生渠底O处水分迁移融水期水分变化量值出现O点12水分消散
表 4渠基土体深度65cm处水分变化
位置
阴坡()
渠底()
阳坡()
测点
N1
N2
N3
O
S1
S2
S3
初始含水量
22
24
25
24
22
24
25
冻结期
+23
+25
+34
+151
+33
+25
+19
融化期
59
42
38
12
17
12
08
试验测衬砌渠道测点冻胀变形量值表 5 冻胀量冻胀力土体冻深观测值示表阴坡测点S3渠底测点O处冻胀变形量分135cm125cm阳坡冻胀变形量冻胀力值出现阴坡S3测点处185MPa次渠底O测点处165MPa阳坡测点处冻胀力远测点气温降阶段冻胀力出现阴坡底部13处着温度升冻胀应力减终负值
表 5 冻胀量冻胀力土体冻深观测值
位置
阳坡
渠底
阴坡
测点
N1
N2
N3
O
S1
S2
S3
冻深(cm)
122
125
124
148
145
141
144
冻胀量(cm)
66
43
57
125
135
113
99
冻胀力(MPa)
125
155
157
165
185
107
126
利TZY1型综合测定仪选取部位复合土工膜试验单元检测复合土工膜变形强度冻融周期复合土工膜伸长率强度变化值表 6 复合土工膜强度变形值示表知抗拉强度损失率10横抗拉强度损失值45kNm发生渠底部位抗拉强度损失值52Knm发生渠底土工膜伸长率减约10满足土工膜强度减位置出现渠底板渠坡交接点13处
表 6 复合土工膜强度变形值
部位
单元
抗拉强度Knm
横抗拉强度Knm
极限伸长率
阳坡
1
465
521
135
2
471
532
133
3
478
510
136
底部
4
478
525
131
5
426
480
132
6
464
498
130
阴坡
7
483
501
135
8
481
502
138
9
474
505
139
32 渠道冻胀链式分析
通分析实测渠基土体温度水分数研究分析三场耦合作水分运移冻土部温度间相关性表7渠基10cm处水分运移量冻结温度渠道冻深值表知考虑冻结期水渠基土水分补作冻结期初始水分参土体水分运移发生运移深度范围较水分聚集运移量48冻结作消失均水分消散运移量45中+表示水分迁移表示水分消散
表7渠基10cm处水分运移量冻结温度渠道冻深
测点
融化期迁移率
冻结期迁移率
冻深cm
冻结温度℃
N1
+27
45
126
172
N2
+33
42
131
197
N3
+29
44
124
231
O
+85
38
144
262
S1
+66
46
145
232
S2
+47
49
148
221
S3
+43
52
142
291
均值
+45
48
134
223
4 结
文通渠道冻胀破坏程中素间链式关系研究结合具体工程实例渠道冻胀破坏时期引起冻胀素间链式规律进行分析结：
（1）利ABAQUS限元分析软件渠道温度应力场变形场模拟受力冻胀规律进行计算分析通合理简化假设选取合理参数冻结期冻土衬砌板视整体考虑受力变形特性发现渠道整体结构抬起渠道衬砌板表面应力渠道坡板 13底板处较原型试验观测相符
（2）渠道衬砌结构冻胀破坏链式机理进行分析研究发现冻胀现象温水分分布作响应土体水分迁移受温土体性质作影响气温温变化趋势直接影响混合衬砌渠道渠基土冻深发展冻深值渠道冻胀变形量发生渠道底部 O 点渠基土水分含量土层深度变化变化
参考文献
[1]王掌权许健郑翔等反复冻融条件黄土边坡稳定性分析[J]中国质灾害防治学报201728(02)1521
[2]张意姜海波王正成寒冷区输水渠道冻胀破坏链式分析减灾研究[J]冰川冻土201638(06)16071614
[3]刘义高高原冻融环境公路边坡稳定性分析[J]公路工程201540(05)5659+95
[4]高明李全侯新伟等通河源区冻融作生态环境效应[J]山学报201533(02)141147
[5]张中琼吴青柏周兆叶年冻土区冻融灾害风险性评价[J]然灾害学报201221(02)142149
[6]陈爱新北京区表土冻融工程建设影响[J]城市勘测2009(06)155157
[7]陈玉超杨更社范建兵寒区边坡冻融灾害分类探讨[J]山西建筑2006(14)8283
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