季节性冻融渠基土壤水分运移特性及大型弧线形渠道防渗抗冻胀理论与技术研究

论文摘要

渠道防渗是节水灌灌的重要技术措施之一。但是,我国季节性冻土分布约占国土面积的54%,在北方地区,一年近1/4时间地表及其附近存在季节性冻融,使渠道工程在冻融作用下发生冻胀破坏。因此,研究我国北方地区季节性冻融对防渗渠道的冻胀理论与技术成为重要课题。本文在查阅国内外大量相关文献的基础上,结合北方地区季节性冻融特点,采用室内试验与原型观测、理论分析与数值模拟相结合的技术路线,较系统地研究了季节性冻融作用下大型U形混凝土衬砌渠道渠基土壤水分运移特性和不同结构形式的大型弧形坡脚梯形防渗渠道的抗冻胀理论与关键技术,对防渗膜料的抗拉、变形、抗裂、抗渗及抗老化性能及土膜复合材料抗剪性能进行了试验研究,提出了膜料防渗渠道边坡稳定性计算方法,建立了渠道防渗经济效益模型。主要研究成果为：（1）通过一个完整季节性冻融循环作用下大型U形混凝土衬砌渠道的原型观测,获得了渠基不同部位和0-40 cm深度范围的水分运移特征,探讨了地下水深埋条件下大型U形混凝土衬砌渠道抗冻胀机理和渠基土壤水分运移机理,采用时间序列法对冻融期含水率变化进行了回归分析,用水分运动基本方程和热流运动基本方程建立了渠基冻融水热耦合运移数学模型,采用混合型Richards方程对冻结过程中渠基非饱和土壤水分运移进行了数值模拟,研究了大型U形混凝土衬砌渠道在季节性冻融作用下的冻深、地温、含水率、冻胀量、冻胀应力等参数之间的相互关系,建立了大型U形混凝土衬砌渠道冻深、冻胀量预测模型。使冻深、冻胀预测从纯经验方法向基于冻胀机理的方向发展,研究成果为大型U形混凝土衬砌渠道设计提供理论依据。（2）通过对大型弧形坡脚梯形防渗渠道的冻胀原型观测,较系统研究了大型弧形坡脚梯形渠道防渗抗冻胀理论,揭示了板膜复合防渗渠道的抗冻胀特点。试验提出了渠道衬砌材料和嵌缝材料最佳配合比,并对其性能进行了评价。针对北方寒冷地区特点,研究了混凝土预制板（8 cm、10 cm和П形）复合塑膜、现浇混凝土肋板复合塑膜、沥青混凝土预制板,混凝土预制板复合塑膜封闭土层（全断面封闭、半断面封闭和封闭渠底）共计4类8种结构形式的弧形坡脚梯形渠道的保温、冻深、变位等特性。通过对渠道板面冻结指数规律研究,提出了由气温冻结指数预测渠道板面冻结指数的计算公式和渠道板面冻结指数修正系数；通过对渠道冻深分布规律研究,提出了由渠道板面冻结指数预测渠道冻深的计算公式和渠道冻深修正系数；通过对渠道冻胀变位规律研究,提出了由冻深和土壤水分预测渠道变位的计算公式和渠道变位修正系数。研究成果为弧形坡脚梯形渠道防渗抗冻胀设计提供了理论依据。（3）在室内冻融和紫外线照射快速老化条件下,对防渗膜料的抗拉、变形、抗裂、抗渗及抗老化性能分别进行了试验研究；依据薄膜理论对膜料水压力作用下圆形、正方形、长方形边界时的变形、中心变位及应力应变抗裂模型进行了数学推导；利用膜料水压力鼓胀试验对变直径、变膜料圆形边界条件下的中心变位抗裂模型进行了验证。研究成果为膜料防渗或板膜复合防渗渠道设计和应用提供了理论依据。（4）利用直剪仪和三轴仪两种设备,对粘土、壤土和砂壤土在不同干密度、饱和与非饱和试样中铺设不同膜料并变换铺膜倾角时的土膜复合材料抗剪强度进行了试验,提出了土膜三轴抗剪强度的试验方法和直剪抗剪强度的折减系数及膜料防渗渠道边坡稳定性计算时土膜抗剪强度的理论值。（5）结合我国渠道膜料防渗土保护层的实际,研究了渠道边坡稳定性的影响因素；通过试验资料建立了渠道边坡稳定性安全系数与粘土和壤土干密度、粘聚力、内摩擦角、渠道水深、边坡系数及土保护层厚度之间的关系函数；提出了膜料防渗不同土质保护层渠道的不冲流速；研究了渠道边坡稳定控制时期、渗透水压力、最小安全系数、滑裂面位置及形式,提出了膜料防渗土保护层渠道边坡稳定性的计算方法。（6）依据经济学原理,分别在经济静态和动态条件下对混凝土衬砌渠道防渗性能随运行时间呈等差数列衰减、等比数列衰减及不随运行时间衰减时的防渗效益进行了较深入研究,建立了混凝土衬砌渠道防渗、维修或改建的判定原则及经济模型,并利用渠道渗漏观测成果进行了渠道防渗的必要性判定和经济效益分析,避免了渠道防渗的盲目性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 我国水资源及农业用水现状
• 1.1.2 我国渠道防渗现状及作用
• 1.1.3 弧线形防渗渠道的特点
• 1.1.4 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 渠道防渗研究
• 1.2.2 渠道抗冻胀研究
• 1.2.3 防渗膜料老化特性研究
• 1.2.4 膜料防渗渠道边坡稳定性研究
• 1.3 研究内容和技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 2 大型弧线形渠道防渗抗冻胀原型观测试验系统
• 2.1 冻胀（融沉）观测系统
• 2.1.1 冻胀（融沉）观测项目及观测点设置
• 2.1.2 冻胀仪器设备及设置
• 2.1.3 冻胀观测方法
• 2.2 变形观测系统
• 2.2.1 变形观测结构
• 2.2.2 变形观测要求及方法
• 2.3 渗漏观测系统
• 2.3.1 渗漏观测设置
• 2.3.2 渗漏观测仪器及设备
• 2.3.3 渗漏观测方法
• 2.3.4 观测资料整理
• 2.4 本章小结
• 3 大型U形冻融渠基土壤水分运移特性
• 3.1 冻融渠基土壤水分运移机理及水热耦合运移数学模型
• 3.1.1 冻融土壤水分运移机理
• 3.1.2 大型U形渠道抗冻胀机理
• 3.1.3 冻融渠基土壤水热耦合运移模型
• 3.1.4 水热耦合运移模型求解
• 3.2 原型观测与室内试验
• 3.2.1 土壤水分运移参数
• 3.2.2 冻融土壤热性能能参数
• 3.2.3 气温及冻结指数
• 3.2.4 渠基土壤温度
• 3.2.5 土壤含水率
• 3.2.6 渠道冻深
• 3.2.7 渠道冻胀
• 3.2.8 冻胀应力
• 3.3 水热耦合模型验证与应用
• 3.3.1 渠基土壤水分运移数值模拟
• 3.3.2 渠道冻深预测
• 3.3.3 渠道冻胀预测
• 3.4 本章小结
• 4 大型弧形坡脚梯形板膜复合渠道抗冻胀特性
• 4.1 渠道冻胀影响因素分析
• 4.2 大型弧形坡脚梯形渠道冻胀试验
• 4.3 防渗材料及性能评价
• 4.3.1 原材料及性能
• 4.3.2 膜料性能
• 4.3.3 沥青性能
• 4.3.4 防渗材料配合比及性能
• 4.3.5 嵌缝材料配合比及性能
• 4.4 渠道断面及结构形式分析
• 4.4.1 断面形式
• 4.4.2 结构形式
• 4.5 渠道冻胀观测资料分析
• 4.5.1 气温
• 4.5.2 渠基土壤温度
• 4.5.3 渠道冻深
• 4.5.4 地下水位和土壤水分
• 4.5.5 渠道冻胀变位
• 4.6 渠道冻胀规律
• 4.6.1 板面温度冻结指数
• 4.6.2 冻深规律
• 4.6.3 变位规律
• 4.7 本章小结
• 5 渠道防渗膜料老化特性
• 5.1 抗拉性能
• 5.1.1 应力应变特性
• 5.1.2 抗拉性能试验
• 5.1.3 冻融老化抗拉性能
• 5.1.4 紫外线老化抗拉性能
• 5.2 抗裂性能
• 5.2.1 膜料水压力模型
• 5.2.2 抗裂试验
• 5.2.3 冻融老化抗裂性能
• 5.2.4 紫外线老化抗裂性能
• 5.2.5 膜料老化抗裂模型验证
• 5.3 抗渗性能
• 5.3.1 冻融老化抗渗性能
• 5.3.2 紫外线老化抗渗性能
• 5.4 本章小结
• 6 土膜复合材料抗剪特性
• 6.1 试验土壤
• 6.1.1 土壤选择
• 6.1.2 土壤物理性能
• 6.2 试验仪器与方法
• 6.2.1 试验仪器
• 6.2.2 试验方法
• 6.2.3 试验方案
• 6.3 三轴抗剪试验
• 6.3.1 膜上饱和膜下非饱和土壤三轴抗剪试验
• 6.3.2 全样饱和土膜三轴抗剪试验
• 6.3.3 饱和纯土壤三轴抗剪试验
• 6.4 直剪抗剪试验
• 6.4.1 膜上饱和膜下非饱和土壤直剪抗剪试验
• 6.4.2 全样饱和土膜直剪抗剪试验
• 6.5 三轴抗剪试验铺膜倾角
• 6.6 三轴与直剪抗剪试验成果比较
• 6.7 本章小结
• 7 膜料防渗土保护层渠道边坡稳定性
• 7.1 渠道边坡稳定性影响因素
• 7.1.1 地下水位
• 7.1.2 气温、风速及含沙量
• 7.1.3 土壤性质
• 7.1.4 渠道断面形式
• 7.1.5 渠基断面形式及厚度
• 7.2 膜料防渗土保护层渠道边坡稳定性讨论
• 7.2.1 边坡稳定控制时期
• 7.2.2 抗剪强度选取
• 7.2.3 渗透水压力选择
• 7.2.4 最小安全系数
• 7.2.5 边坡滑裂面位置及滑裂面形式
• 7.2.6 现有土保护层边坡稳定计算公式
• 7.3 膜料防渗土保护层渠道边坡稳定性计算方法
• 7.3.1 滑弧通过土膜交接面
• 7.3.2 滑弧通过膜层底部渠基土壤
• 7.3.3 滑弧通过土保护层内部
• 7.4 实例应用
• 7.5 本章小结
• 8 混凝土衬砌渠道防渗经济效益模型
• 8.1 渠道防渗效益计算
• 8.1.1 渠道防渗静态效益
• 8.1.2 渠道防渗动态效益
• 8.2 渠道防渗准则及经济模型
• 8.2.1 防渗准则
• 8.2.2 静态经济效益模型
• 8.2.3 动态经济效益模型
• 8.3 实例应用
• 8.4 本章小结
• 9 结论与建议
• 9.1 结论
• 9.2 建议
• 参考文献
• 附录
• 致谢