梯形渠道弧形底混凝土防渗结构抗冻性能的试验研究

论文摘要

我国北方地区冬季,地表土壤冻结,春季融化,经历周期性的冻融。这种周期性的冻融使许多坐落在土基上的输水渠道防渗体产生不同部位、不同形式和不同程度的冻融破坏。山西省地处这种季节性冻土区,渠道衬砌冻融破坏严重,现有的骨干建筑的50%、渠系建筑物的40%的和渠道衬砌体的32%受冻融而破坏。本文以水利部大中型灌区续建配套项目设立的“大型梯形渠道弧形底混凝土防渗结构抗冻性能研究(编号20081015)”项目为依托,基于历时两个冻融期,原型原位对梯形渠道弧形底十四种不同混凝土衬砌体的观测,较系统地研究了梯形渠道弧形底混凝土衬砌冻胀特性,揭示了梯形渠道弧形底混凝土衬砌体的冻胀规律;分析了冻胀机理、影响衬砌体冻胀的主要因素的变化规律以及它们之间相互关系;比较了不同渠道衬砌形式的抗冻胀效果和优缺点;提出了试验区气候条件下的渠道衬砌优化方案;建立了以冻结温度、渠道断面和衬砌体尺寸等为参数的梯形渠道弧形底混凝土衬砌抗冻力学模型,并以模型为基础,编写了渠道衬砌体应力计算和配筋程序。研究结果表明:⑴整个越冬期,渠基表土含水量随时间变化幅度较大,而深层土壤含水量变化相对稳定。地温随土壤深度增加而升高,同一时间,同一深度处地温值由渠道底部至顶部逐渐升高。土壤含水量与冻结指数和地温、地温与冻结指数间均存在二次多项式相关关系。⑵沿渠道坡面衬砌板冻胀位移量大小不等,渠顶处位移最小,而靠近渠底位移量最大,渠底有较明显的垂直位移。阳坡冻胀破坏产生的裂缝较少,阴坡衬砌产生裂缝较为普遍,开裂部位集中在底板弧形角与坡板连接处。冻胀位移量和冻结指数和板下土壤温度存在三次多项式相关关系。裂缝宽度与冻结指数存在二次多项式关系,与板下土壤温度存在指数函数关系。⑶渠道混凝土衬砌是否配置铅丝网对于冻胀位移量和裂缝宽度有较大影响。不同衬砌处理的板下土壤温度、含水量和冻胀位移量存在差异。比较分析后认为设置纵向缝并铺设土工膜的20cm厚混凝土现浇板和铺设置土工膜并配置铅丝网的8cm厚混凝土现浇板是该地区最优的两种衬砌方案。⑷采用冻胀力学模型程序对梯形渠道弧形底的设计进行辅助计算是可行的。以土壤温度、渠道坡角、渠道尺寸及其他参数作为模型计算的变量可获得与工程实际相符的结果。本课题以汾河一坝灌区西干渠野庄段渠道防渗体抗冻胀为研究对象,主要针对梯形渠道弧形底混凝土衬砌板结构类型与抗冻胀措施进行了研究。研究结果对汾河灌区进行的大型灌区续建配套与节水改造工程急需解决的关键技术和难题具有实际意义,对于水工建筑物抗冻胀设计理论的进步具有一定的科学意义,但由于问题的复杂性和方法手段的有限性,许多方面的问题还停留在定性研究的水平上,还有待进行深入的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究意义
• 1.2 国内外研究动态
• 1.2.1 输水渠道衬砌冻胀破坏机理及其防冻胀破坏技术研究动态
• 1.2.2 输水渠道衬砌形式的发展与研究动态
• 1.2.3 梯形渠道弧形底混凝土衬砌形式的研究动态
• 1.2.4 存在问题
• 1.3 研究的技术方案
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 拟解决的关键理论与技术
• 1.3.4 技术路线
• 第二章 原型试验条件与方案
• 2.1 原型试验段自然概况
• 2.2 试验段区域气候条件
• 2.2.1 气候条件概述
• 2.2.2 气温
• 2.3 试验段渠床土壤条件
• 2.3.1 土壤质地
• 2.3.2 土壤含水率
• 2.3.3 地下水位
• 2.4 试验仪器与设备
• 2.4.1 渠床土壤含水量测试设备与仪器
• 2.4.2 渠床地温测试设备与仪器
• 2.4.3 冻胀位移量测试设备与仪器
• 2.4.4 气象数据观测
• 2.5 试验方案与方法
• 2.5.1 试验方案
• 2.5.2 测试方法
• 第三章 梯形渠道弧形底混凝土防渗体下土壤含水量变化特性
• 3.1 防渗体板下土壤含水量的基本特性
• 3.2 防渗体板下土壤含水量与温度（气、土）温度间的关系
• 第四章 梯形渠道弧形底混凝土防渗体下的温度变化特性
• 4.1 防渗体板下温度变化的基本特性
• 4.1.1 防渗板下温度的影响因素
• 4.1.2 土壤温度的周期性变化
• 4.1.3 气温对防渗板下地温的影响
• 4.2 防渗体板下温度随渠道深度的变化特性
• 4.3 防渗体厚度对板下土壤温度分布的影响
• 4.4 防渗体类型对板下土壤温度分布的影响
• 4.4.1 防渗体下加铅丝网与不加铅丝网对板下地温影响
• 4.4.2 防渗体下加土工膜与不加土工膜对板下地温影响
• 4.4.3 现浇混凝土与预制混凝土防渗板下地温比较
• 4.5 防渗体板下土壤温度与气温间的关系
• 4.5.1 防渗体板下土壤温度与冻结指数间的关系
• 4.5.2 防渗体板下土壤温度与气温间的关系
• 第五章 梯形渠道弧形底混凝土防渗体冻胀位移量变化特性
• 5.1 防渗体冻胀位移量变化的基本特性
• 5.2 防渗体冻胀位移量随渠道深度的变化特性
• 5.3 防渗体厚度对冻胀位移量分布的影响
• 5.4 防渗体类型对冻胀位移量分布的影响
• 5.4.1 防渗体下加铅丝网与不加铅丝网对冻胀位移量影响
• 5.4.2 防渗体下加土工膜与不加土工膜对冻胀量分布的影响
• 5.4.3 现浇混凝土与预制混凝土防渗板对冻胀量分布的影响
• 5.5 防渗体冻胀位移量与气温、板下温度间的关系
• 5.5.1 防渗体冻胀位移量与冻结指数的关系
• 5.5.2 防渗体冻胀位移量与板下温度的关系
• 第六章 梯形渠道弧形底混凝土防渗体冻胀破坏的特征
• 6.1 防渗体冻胀破坏的基本特征
• 6.2 防渗体冻胀破坏裂缝的位置
• 6.3 防渗体冻胀破坏裂缝的宽度
• 6.3.1 不同处理防渗体裂缝宽度的差异
• 6.3.2 裂缝的宽度随时间的变化规律
• 6.3.3 裂缝的宽度随气温和地温的变化规律
• 第七章 梯形渠道弧形底混凝土防渗体冻胀力学模型及程序设计
• 7.1 力学模型假设及简化
• 7.2 力学模型的建立
• 7.3 程序设计
• 7.4 模型计算与程序应用
• 7.5 模型验证
• 第八章 不同衬砌形式比较及方案优化
• 8.1 不同衬砌形式防冻胀效果比较与评价
• 8.1.1 防冻胀效果比较
• 8.1.2 防冻胀效果评价
• 8.2 不同衬砌形式在施工及工程造价方面比较与评价
• 8.3 方案建议
• 8.4 方案优化
• 第九章 结论与展望
• 9.1 研究结论
• 9.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间所获得的成果
• 附录 1