考虑渠道运营参数下衬砌结构冻胀特性影响研究.pdf

年第 期水利技术监督工程实践:/考虑渠道运营参数下衬砌结构冻胀特性影响研究李一峰(中国水利水电第四工程局有限公司 青海 西宁)摘要:为研究西纳川水库输水干渠衬砌结构冻胀特性 采用水热力耦合模拟开展了衬砌板的冻胀仿真计算 探讨了入渠流量、渠水位 组因素对衬砌板冻胀量、冻胀应力影响 研究表明 衬砌顶、坡板受渠水位影响最明显 而渠水位增高 冻胀量与冻胀应力均愈大 尤以渠水位 最显著 入渠流量变化 冻胀变化较稳定 衬砌板冻胀处于可控稳定状态 可预估实际冻胀破坏水平 论文可为研究渠道衬砌结构冻胀特性及影响变化提供参考关键词:西纳川水库 渠道 衬砌结构 冻胀中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:李一峰(年)男 工程师:引言输水渠道作为水工建筑中重要引、调水载体其运营参数设计 关乎着渠道结构稳定性 也同样影响着衬砌结构安全 特别在冻土地区衬砌结构的抗冻胀能力 因而 研究渠道运营参数变化下衬砌结构冻胀特征影响变化 对优化渠道运营及衬砌设计具有参考价值 肖旻等、刘裕为研究渠道衬砌结构冻胀特性 基于弧形、体型渠道的体型特征 设计开展了冻胀试验 从试验结果中分析渠道衬砌结构切、法向冻胀剪力、冻胀位移等 提出优化衬砌结构设计的考量建议 何鹏飞等、龚嘉玮等引入弹性梁、模型等冻胀理论 基于实际渠道面衬砌结构设计 对衬砌板进行理论计算探讨衬砌板的冻胀量、冻胀应力变化 分析不均匀冻胀产生根源 有助于实际衬砌结构设计参考 孙黎强、高丹、李克为研究渠道衬砌结构冻胀特性影响因素 从衬砌厚度、渠道断面尺寸特征、渠基土以及地下水位等方面入手 从冻胀仿真计算过程评价衬砌结构可靠性 为渠道设计及衬砌影响变化探究提供了依据 本文为研究西纳川水库输水干渠衬砌结构冻胀特性 采用 进行了渠道建模及仿真计算 对比了渠水位、入渠流量两因素下冻胀量、冻胀应力的影响变化 为渠道运营优化提供计算支撑 研究方法 工程概况西纳川水库距离西宁市中心约为 承担着西宁地区防洪、灌溉、引调水作用 对调节西宁地区水资源供应、分布等具有重要价值 控制西纳川水库 将极大解决西宁水资源供需矛盾 根据设计资料得知 西纳川水库设计峰值库容量可达 万 设计峰值坝高为 在坝体轴向方向 延伸距离为 在西纳川水库投入运营后西宁上游来水干流河道受控面积超过 在夏季汛期 该水库泄洪流量超过 万 不仅保障了西宁下游城防安全 同时也有效蓄水调节了农业缺水问题 如图 所示为西纳川水库枢纽工程平面布置示意 作为地区大型水利枢纽设施 其建设工程包括了溢洪道、主坝、导流洞以及扩展蔓延至西宁下游 的输水干渠 从而能够使西纳川水库具有重要水利价值 从水库安全建设考虑一期工程采用围堰导流施工方式 最大导流量为/在主坝、溢洪道等水工建筑施工过程中对堰坡、防渗墙以及止水面板等结构进行监测 数据表明 施工范围内不存在活跃渗流 防渗墙底部水头线绕流、水头值降低明显 在此基础上 西纳川水库计划在二期工程中着力扩展输水干渠建设使之成为西宁地区最大农业以及生活供水来源 解决西宁工、农业用水矛盾 在输水干渠建设的同时 也对西宁北农业灌渠各干、支渠进行整治清淤 并接入西纳川水库主渠 确保灌区水位、流量工程实践水利技术监督 年第 期得到中转与调节控制 在上游主坝、溢洪道泄洪工况下 挡水闸门全开泄洪 进入输水干渠的流量不超过/监测渠道重点断面的水力参数表现较优 但对于渠道衬砌结构的抗冻胀能力还有待研究 特别是在入渠流量、渠内运行水位等变化时不可忽视渠道衬砌结构冻胀研究图 西纳川水库枢纽工程平面布置 冻胀模型结合西纳川水库输水干渠运营特征 其衬砌结构冻胀特性与渠内水位密切相关 故需讨论衬砌结构在水 热 力耦合条件下结构冻胀变化 为此引入热力耦合方程 如下式:()式中、水平向、竖向导热系数 温度、冻胀面的水平、竖向基于结构静力平衡体系 列出下式:()式中 满足下式()()()式中、衬砌材料物理特征参数 前者为泊松比 后者为模量、向正应变以及剪应变、向正应力以及剪应力 为方热传导系数 指温度梯度基于热力耦合冻胀模型方程 采用 仿真平台建立起干渠断面模型 如图 所示为建立的 侧渠道模型 由于渠道衬砌结构具有对称性特点 故本文研究也只针对于/渠底板、侧坡板以及 侧渠顶板展开计算对比分析 图 中渠道模型来自于西纳川水库北侧输水干渠与西宁北灌区联通区 桩号为 该渠道不仅在北干渠且在南干渠乃至西宁北全灌区内 其剖面特征均有代表性 该渠道边坡系数为 设计渠深为 采用模袋混凝土衬砌与卵砾石护底 入渠流量安全允许值为/坡脚半径为 渠顶宽度为 渠顶至渠底高度为 设计允许水位为 渠坡板展开长度为 渠底宽度为 渠底地下水位为 渠基土为砂质壤土含水率约为 渗透系数为 /渠道衬砌结构厚度为 糙率为 水力坡降为 研究模型中一侧设定为水热绝缘 采用四边形网格单元对计算模型划分实际共获得网格单元 个 节点数 个衬砌板区域精度、网格密度满足计算要求图 渠道模型考虑输水干渠运行期 入渠流量、渠水位等运营参数均会对衬砌结构产生冻胀影响 故本文在计算模型中分别设定了入渠流量与渠水位 组仿真入渠流量的设定考虑了渠道限值 分别设定为、/共 组 渠水位影响组设定有 、研究模型仿真过程中仅考虑单一变量因素影响 计算工况中 外界温度取值为西宁地区次年 月的平均气温 渠内地下水位渗流场视为平静无流动边界条件 而模型顶、底部分别为双约束、零自由度边界 荷载体系包括了结构自重、土层应力等物理力学参数均来自室内实测 如土体密度为 年第 期水利技术监督工程实践/基于入渠流量、渠水位两组仿真计算对比 探讨西纳川水库下游典型干渠衬砌结构冻胀影响变化 渠水位对衬砌结构冻胀特性影响 冻胀量基于不同渠水位工况下衬砌结构冻胀仿真计算 获得了衬砌顶、坡及/底板展开断面上的冻胀量变化特征 如图 所示 根据图 中冻胀量变化可知 渠水位不同 但衬砌板断面上冻胀量变化趋势具有相似性 均呈“先减后增再减”变化 但峰、谷冻胀量所在断面有所差异 在渠水位 时 峰、谷值断面分别位于 、而渠水位、时相应峰值断面分别位于 、从峰值冻胀量所在位置来看 整体上均在渠坡板、顶板处 特别是渠水位愈大 则峰值冻胀量愈靠近顶板 即渠水位变化 会影响衬砌板冻胀危险区域的分布变化 具体分析冻胀量增、减变化段 在衬砌底板处 不论渠水位为何值 冻胀量总体均为递减 而衬砌坡板、顶板处均为递增、递减或稍降态势 由此可知 渠水位的变化 不会改变整体上冻胀强、弱区 仍然可考虑重点设置衬砌坡、顶板的抗冻胀措施图 衬砌板冻胀量与渠水位变化关系从冻胀量水平考虑 渠水位愈大 则冻胀量愈高 此特点从渠水位 持续如此 当渠水位为 时 峰、谷 值 冻 胀 量 分 别 为 、而在峰值冻胀量的对比中 渠水位 、下峰值冻胀量较之前者分别提高了 、倍 总体上看渠水位梯次变化 则峰值冻胀量平均可提高 而在渠水位 中 谷值冻胀量分布为 在渠水位梯次变化中 谷值冻胀量的平均变幅为 对比之下可知 渠水位梯次递增 峰值冻胀量受影响敏感度高于谷值冻胀量 即衬砌底板处冻胀水平影响变化弱于衬砌顶板 控制渠水位 将有助于限制衬砌顶板处冻胀水平 冻胀应力同理 从冻胀仿真计算中也可获得衬砌板的冻胀应力变化 如图 所示 从图 中冻胀应力特征可看出 在不同渠水位下 由于热水力耦合场影响冻胀应力在断面上的变化特征点、变化趋势均有一定差异 如渠水位 下断面 内 冻胀应力为 为递增 断面间冻胀应力平均增幅为 而在渠水位、处 该断面 内 冻胀应力平均增幅为 、综合分析来看 渠水位不同 在衬砌顶、坡及底板处冻胀应力的变化幅度各有差异 总体上当渠水位不超过 时 冻胀应力呈“缓增 陡增 递减”态势 而渠水位为 时 冻胀应力在衬砌底、顶及坡板处的变幅均高于前一渠水位阶段 且在衬砌顶板处冻胀应力为平衡稳定 分析可知 渠水位对衬砌板冻胀应力影响在于变化幅度 而渠水位过高 衬砌顶板处冻胀应力处于稳定的较高水平 顶板的冻胀危害不可忽视 尤以高渠水位工况为显著图 衬砌板冻胀应力与渠水位变化关系对比冻胀应力水平也可看出 渠水位与之具有正相关变化特征 特别是在渠水位 后 冻胀应力受渠水位影响变化更明显 以峰值冻胀应力为宏观对比参数 在渠水位、时 峰值冻胀应力分别为 、渠水位为 时随水位递增 峰值冻胀应力平均提高了 增幅为 而在渠水位 时 相应工程实践水利技术监督 年第 期的峰值冻胀应力分布为 在各渠水位方案中 冻胀应力平均增长为 而总体上渠水位 时 峰值冻胀应力平均增幅为 由此可看出 过高的渠水位 冻胀应力的变化会朝着不可控方向发展 使衬砌板上冻胀应力具有更大的威胁 入渠流量对衬砌结构冻胀特性影响 冻胀量基于不同入渠流量工况下衬砌结构冻胀仿真计算 获得了冻胀量与入渠流量关系 如图 所示 观察图 可看出 入渠流量变化 断面上冻胀量变化趋势几乎保持一致 峰、谷冻胀量均保持同一断面 分别位于断面、处 总体上看 不论入渠流量为何值 整体上冻胀量均为“递减 递增 稳定”变化 分别对应了衬砌底板、坡板及顶板处冻胀量变化特征 在冻胀量水平对比中 入渠流量愈高 则冻胀量愈大 入渠流量为/时 峰、谷值冻胀量分别为 、而入渠流量为、/时 相应峰值冻胀量分别为 、谷值冻胀量又分别为、相比之下 每一梯次入渠流量变化引起的冻胀量变化较为接近 当梯次流量变化/时 峰值冻胀量平均增幅为 在入渠流量 /、/、/时 冻 胀 量 变 化 依 次 为 、基本与平均增幅接近 从入渠流量对冻胀量影响可知 只要在入渠流量安全允许值内衬砌板冻胀量的增长较稳定 故在渠道运行期 保证入渠流量合理即可 衬砌板的冻胀变化均处于可控状态图 衬砌板法向冻胀量与入渠流量变化关系 冻胀应力如图 所示 为不同断面上衬砌板的冻胀应力变化 由图 可看出 与冻胀量类似 各入渠流量工况内 冻胀应力在衬砌板断面上具有相似性变化特征 衬砌底板上冻胀应力水平最低 而衬砌坡板上冻胀应力最高 在展开断面上 冻胀应力呈“缓增 陡增 递减变化”在冻胀应力陡增段 入渠流量 /下 衬砌坡板断面上冻胀应力平均值可达 峰值冻胀量位于断面 分布于 从入渠流量与冻胀应力的变化趋势来看 入渠流量不会改变衬砌板上冻胀应力分布区 衬砌坡、顶板上冻胀应力分布区乃是最高 在冻胀应力对比中 入渠流量愈高则冻胀应力水平愈大 以衬砌底板处冻胀应力为分析对象 入渠流量/下底板平均冻胀应力为 而入渠流量为、/时 相应平均冻胀应力分别达 、在入渠流量梯次变化中 底板平均冻胀应力的增幅为 在入渠流量 /中 底板平均冻胀应力分布于 各流量方案间增幅、增量均较稳定 由此表明 在入渠流量变化中 衬砌板冻胀应力、冻胀量仅有量值水平的变化 且变幅较稳定 此可作为入渠流量运营期冻胀水平预估参考图 衬砌板冻胀应力与入渠流量变化关系 结论()各渠水位工况中 衬砌板冻胀量均呈“先减后增再减”变化 但峰、谷冻胀量所在断面各有差异 渠水位愈大 则冻胀量愈高 特别是峰值冻胀量受之影响高于谷值冻胀量(下转第 页)工程实践水利技术监督 年第 期参考文献 钟可圳.中小河流综合治理工程 项目中波浪桩施工技术的应用.工程技术研究 ():.杨金龙.预制装配式波浪桩生态护岸研究.中国水运():.刘田玉 花健灵.波浪作用下不同壁厚海洋桩基动力响应分析.广州航海学院学报 ():.尘光 陈纪标 周彪 等.波浪桩施工工艺及监理要点.建设监理():.刘永利 张家鑫 邵光辉.波浪桩在生态修复护岸加固工程中的应用.山东水利():.郭英.极寒地质条件下波浪桩钻孔成桩设备选型及施工技术研究.铁道建筑技术():.王静.预应力混凝土波浪桩在内河航道工程中的应用.中国水运:下半月():.闫彭彭.预制波浪桩在堤防加固工程中的应用.水科学与工程技术():.逄雅萍 荆大荣.预制混凝土波浪桩在分洪河道治理工程中的应用.水利科学与寒区工程():.袁肇彦.动荷载条件下波浪桩力学性能分析.吉林水利():.王元战 龙俞辰 王朝阳.考虑流固耦合影响的桩基波浪力简化计算方法.水道港口 ():.宋增芳 程玉菲 王军德.景泰川灌区地下水埋深变化与影响因 素 分 析.水 利 规 划 与 设 计 ():.周喜武 朱俊高 任玉彬 等.粘土地基抗滑桩极限阻力模型试验与计算方法研究.水利技术监督 ():.谢军 边疆 刘静静.基于室内试验河道淤泥固化建筑材料力学性能研究.水利技术监督():.:.:.陈连鑫.波浪力作用下跨海桥梁动力反应及疲劳损伤研究.大连理工大学.金小凯.波浪荷载下海床孔压响应及其对单桩竖向承载力的影响研究.上海交通大学.柳成林.波流作用下深水全直桩码头动力响应分析.东南大学.刘贝贝.水平荷载作用下高承台桩基础的动力响应分析.东南大学.(上接第 页)()渠水位不同 衬砌板断面上冻胀应力变幅各有区别 以衬砌顶板冻胀危害较显著 渠水位增大 冻胀应力提高 尤以渠水位 下冻胀应力增幅最大()入渠流量增长 冻胀量、冻胀应力分别稳定呈为“递减 递增 稳定”、“缓增 陡增 递减”变化 随入渠流量的增长过程较稳定()渠水位对衬砌结构冻胀危害在于顶、坡板 而入渠流量对冻胀影响具有可控性参考文献 杨美琪.基于二维渗流有限元下锦北输水渠道渗漏影响特征研究.水利技术监督():.张晨 王羿 韩孝峰 等.考虑接触损伤效应的衬砌渠道冻胀过程数 值 模 拟 方 法.岩 土 工 程 学 报 ():.肖旻 熊志豪 吴浪 等.高地下水位冻土区弧形底浅拱梯形渠道冻 胀 力 学 分 析.灌 溉 排 水 学 报 ():.刘裕.引水干渠梯形渠道衬砌结构冻胀破坏力学分析.黑龙江水利科技 ():.何鹏飞 马巍 穆彦虎 等.考虑冻胀力和冻结力作用的梯形渠道衬砌冻胀破坏弹性地基梁模型.中南大学学报(自然科学版)():.龚嘉玮 王正中 江浩源 等.基于广义 弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型.冰川冻土 ():.孙黎强.寒区高地下水位渠道透水衬砌结构方案分析.水利技术监督():.高丹.苯板厚度对混凝土衬砌渠道基土冻胀的影响.东北水利水电 ():.李克 许生原.地下水对引黄衬砌渠道的影响分析.建筑技术开发 ():.王羿 刘瑾程 刘铨鸿 等.温 水 土 结构耦合作用下寒区梯形衬砌渠道结构形体优化.清华大学学报(自然科学版)():.李斌.基于 软件的矩形渠道冻胀数值模拟.水利科技与经济 ():.肖让 陈海龙 张永玲 等.不同断面类型混凝土垫层渠道抗冻胀设计优 化研究.水 利 规 划 与 设 计 ():.肖旻 王正中 吴浪 等.高地下水位冻土区抛物线形渠道冻胀力 学 分 析.排 灌 机 械 工 程 学 报 ():.李宗利 姚希望 张锐 等.考虑基土不均匀冻胀的梯形渠道混凝土衬砌弹性地基梁力学模型.农业工程学报():.