基于冻胀量模拟计算的梯形渠道断面设计优化研究_孙杰.pdf

书书书第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ，年月 ，孙杰基于冻胀量模拟计算的梯形渠道断面设计优化研究水利科学与寒区工程，（）：基于冻胀量模拟计算的梯形渠道断面设计优化研究孙杰（博尔塔拉蒙古自治州水利水电勘测设计院，新疆 博乐 ）摘要：在北方寒区渠道设计建设过程中，需要采取必要措施，防止冻胀破坏。此次研究以某灌区渠系改造为工程背景，利用数值模拟的方式探讨了渠深、渠底宽和渠坡坡度对冻胀量的影响，并提出了具体的工程设计建议，可以为相关类似研究和背景工程建设提供参考。关键词：梯形渠道；冻胀破坏；模拟计算；断面设计中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：孙杰（），男，山东烟台人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。：。工程概况某灌区目前的有效灌溉面积为 ，其中自流灌溉面积为 ，扬水灌溉面积为 ，井灌面积为 。灌区自建成至今已经运行了将近 年，渠道的渗漏和渠系建筑物破损情况比较突出，已经严重影响到灌区的农业生产发展。基于此，各级政府和灌区积极筹措资金，针对现有渠系进行分期、分批的大规模改造。在灌区的期节水改造工程中，总干五节制闸以下的渠系改造为节水改造工程的重点内容。灌区位于北方寒区，冬春季的冻胀破坏是造成渠道衬砌结构破坏的重要原因，在渠系改造过程中，不仅要考虑采用必要的防冻胀工程措施，还需要从渠道的截面尺寸设计入手，探讨各参数对冻胀量的影响，以便获得最佳设计方案。总干五节制闸以下的渠道长度 ，在长期使用中冻胀和水毁比较严重，因此需要重新开挖扩宽和衬砌。根据初始工程设计，该渠段的断面为梯形，其底宽为 ，深 ，渠坡坡度为 。有限元计算模型 有限元模型的构建随着计算机技术的迅速发展，大型商业软件公司基于有限元理论开发出诸多大型通用有限元程序，其 中 使 用 最 广 泛 的 有 、四个软件。是达索公司开发的一款大型通用有限元软件，其几何建模界面较为简易，在岩土工程研究领域具有明显的应 用 优 势。基 于 此，此 次 研 究 在 最 新 版 软 件 的 基 础 上 进 行 二 次 开 发，使 用 语言自定义子程序的方法对混凝土衬砌板与冻土的接触非线性本构进行了自定义，构建符合混凝土衬砌板和冻土之间相互作用的渠道冻胀数值模型。在有限元模型构建过程中，考虑工程所在地的温 度 不 变 层 的 深 度，从 渠 道 的 渠 顶 向 下 取 作为模型的下边界，左右边界取到距离渠坡顶点 部位。在模型的构建中利用小弹性模量材料进行纵缝的模拟，采用考虑混凝土衬砌板和冻土接触非线性的模型，将衬砌板和渠道冻土视为整体，对冻胀变形以先热后力的方式进行模拟。对模型利用四边形单元进行网格剖分，对关键部位进行适当加密处理，最终获得 个网格单元，个节点，有限元模型示意图如图所示。边界条件与模型参数在边界条件中，模型的上边界取原型渠道相应部位月平均温度的最小值，下边界温度恒定为图有限元模型示意图，模型的左右边界为绝热边界条件。对渠基土的下边界采用固端约束条件，左右边界施加水平方向的位移约束，上边界为自由边界条件，不施加 位 移 约 束。渠 道 的 初 始 含 水 量 设 定 为，模拟计算中仅考虑地下水补给的影响，下边界的含水量保持不变。模拟计算中假设渠基冻土为各向同性材料，其弹性模量随温度的变化而变化，其主要取值如表所示。冻土的泊松比为 ，融土的泊松比为 ，混 凝 土 的 弹 性 模 量 为 ，泊 松 比 为 ，密度为 。表冻土弹性模量温度弹性模量 温度弹性模量 计算方案在寒区灌溉渠道设计施工中，渠道的不同结构参数也会对其冻胀破坏程度产生比较明显的影响，特别是渠道的深度、底宽、渠坡坡度和衬砌板厚度等因 素均会 对冻 胀 量 产 生 不 同 程 度 的 影响。此次研究结合工程的初始设计资料和相关研究成果，设计上述四个参数的不同水平值，通过控制单因素变量的方式进行不同参数对冻胀量的影响的数 值 模 拟。其 中，渠 道 深 度 设 计 、和 共种不同的水平；渠底宽设计 、和 等种水平；渠 坡 坡 度 设 计 、等种水平。渠道混凝土衬砌板的厚度保持 不变，衬砌板下铺设厚度为 的聚苯乙烯保温板。由于研究渠段基本为南北走向，因此冻胀量基本呈对称分布。研究中从计算结果中提取渠底中部、渠坡底部、渠坡下部处、渠坡中部、渠坡上部处，以及渠坡顶部等个关键部位的冻胀量进行对比，对不同方案的冻胀影响进行评价。计算结果与分析 渠道深度保持原设计方案中其余参数不变，利用构建的有限元模型对不同渠道深度方案下的渠道各部位冻胀量进行模拟计算，结果如表所示。由表可知，在不同渠道深度方案下，各个部位的冻胀量分布规律基本一致，冻胀量最大的部位出现在渠坡下部部位，因此在施工设计和工程维护中需要重点关注该部位。表不同渠道深度冻胀量计算结果渠道深度冻胀量渠底中部渠坡底部渠坡下部处渠坡中部渠坡上部处渠坡顶部 从不同渠深方案的对比来看，随着渠道深度的增加，渠道各部位的冻胀量呈现出不断减小的变化特征。由此可见，增加渠道的深度对控制衬砌结构的冻胀变形有利，但是控制的效果会随着深度的增加趋于减弱。对本工程而言，虽然渠道深度为 时的冻胀量变形量最小，但是工程量会显著增加且不利于渠道整体稳定性。因此，在工程设计中仍旧推荐 的渠道深度。渠底宽度保持原设计方案中其余参数不变，利用构建的有限元模型对不同渠底宽度方案下的渠道各部位冻胀量进行模拟计算。根据计算结果，绘制出不同部位冻胀量随渠底宽度的变化曲线，如图所示。由图可以看出，渠底宽度对渠道各部位冻胀量均存在一定的影响。具体来看，随着渠底宽度的增大，渠道各部位的冻胀量均呈现出不断增大水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷的变化趋势。因此，增加渠底宽度，不利于渠道冻胀量的控制。从具体的数值来看，当渠底宽度 时，随着渠底宽度的增加，渠道各部位冻胀 量 的 增 加 幅 度 相 对 较 小，当 渠 底 宽度 时，随着渠底宽度的增加，渠道各部位冻胀量呈现出迅速增大的变化趋势。从工程设计的角度来看，虽然减小渠底宽度有利于冻胀量的控制，但是会造成渠道输水能力的下降，降低渠道的利用率和经济效益。因此，综合考虑试验结果和 工 程 的 经 济 性，可 以 将 渠 底 宽 度 增 加 至 。图冻胀量随渠底宽度变化曲线 渠坡坡度保持原设计方案中其余参数不变，利用构建的有限元模型对不同渠坡坡度方案下的渠道各部位冻胀量进行模拟计算。根据计算结果，绘制出不同部位冻胀量随渠坡坡度的变化曲线，如图所示。由图可以看出，随着渠坡坡度的增加，渠道各个部位的冻胀量均呈现出不断减小的变化特征，但是减小的幅度较为有限。由此可见，渠坡的坡度 虽 然 对 渠 道 冻 胀 量 存 在 一 定 的 影 响，图冻胀量随渠坡坡度变化曲线但是影响较为有限，并不是渠道冻胀量变化的主要影响因素。考虑到渠坡的坡度越小，施工越简单，但是会造成占地面积和衬砌施工量的增加，而渠道坡度过大，不利于渠坡稳定性。综合上述考虑，认为背景工程的渠坡坡度设计较为合理，不需要进行调整。结论（）增加渠道的深度对控制衬砌结构的冻胀变形有利，但是控制的效果会随着深度的增加趋于减弱。（）随着渠底宽度的增大，渠道各部位的冻胀量均 呈 现 出 不 断 增 大 的 变 化 趋 势，当 渠 底 宽 时冻胀量迅速增大。（）随着渠坡坡度的增加，渠道各个部位的冻胀量均呈现出不断减小的变化特征，但是减小的幅度较为有限。（）结合工程实际和计算结果，建议在渠道断面设计时保持渠深 和坡度 不变，将渠底宽度增加到 。参考文献：郝晋彩，娄宗科，高凤梯形渠道冻胀数值模拟与边坡系数优化灌溉排水学报，（）：王正中，刘少军，王羿，等寒区弧底梯形衬砌渠道冻胀破坏的尺寸效应研究水利学报，（）：肖旻，王正中，刘铨鸿，等考虑地下水位影响的现浇混凝土梯形渠道冻胀破坏力学分析农业工程学报，（）：周富强，吴艳，戴灿伟，等新疆北疆某供水渠道冻胀融沉变形性状分析水利水电技术，（）：高凤，娄宗科，肖旻考虑接触行为的型渠道冻胀数值模拟长江科学院院报，（）：马爱华，王怀义，何建村，等高寒区长距离供水渠道冻胀破坏预警模型构建方法研究水利水电技术，（）：李响考虑水冰相变的渠道冻胀数值模拟与衬砌方案东北水利水电，（）：，李敬军，贺向丽，邱流潮，等基于热力耦合的混凝土衬砌渠道冻胀开裂数值模拟计算力学学报，（）：第期孙杰基于冻胀量模拟计算的梯形渠道断面设计优化研究