【摘 要】
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以渠道工程为主体的国家水网建设是保障国家水安全、解决水资源时空分布失衡的根本措施。在高太阳辐射强度和低温耦合作用下,渠道冻胀破坏与渗漏恶性循环,已成为北方寒区水网建设与安全高效运行的一大顽疾。太阳辐射引起了寒区渠道在冬季经历昼夜冻融循环及冬季长时冻结过程,引发了阴、阳坡不对称、不同步的冻融发展过程,导致渠道阴、阳坡发生不稳定的差异性冻融破坏。然而,以往渠道的冻害预测与防治研究中很少考虑太阳辐射,这
【基金项目】
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国家重点研发计划项目:高寒区长距离供水工程能力提升与安全保障技术(编号:2017YFC0405103); 国家自然科学基金:基于冻融稳定与冲淤平衡的仿自然型输水渠道结构优化研究(编号:U2003108);
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以渠道工程为主体的国家水网建设是保障国家水安全、解决水资源时空分布失衡的根本措施。在高太阳辐射强度和低温耦合作用下,渠道冻胀破坏与渗漏恶性循环,已成为北方寒区水网建设与安全高效运行的一大顽疾。太阳辐射引起了寒区渠道在冬季经历昼夜冻融循环及冬季长时冻结过程,引发了阴、阳坡不对称、不同步的冻融发展过程,导致渠道阴、阳坡发生不稳定的差异性冻融破坏。然而,以往渠道的冻害预测与防治研究中很少考虑太阳辐射,这导致计算得到的渠道在冬季始终冻结,与现实中昼融夜冻的模式存在差异,且无法考虑阴阳坡效应。由此无法准确揭示太阳辐射和昼夜温差耦合作用下的全生命周期渠道冻害发展机制,且相关冻胀计算模型精度不足,难以科学指导冻害防治的量化设计。为此,以太阳辐射作用下的寒区渠道为研究对象,通过冻土单向冻结试验、渠道冻胀模型试验、工程力学分析和水-热-力耦合数值模拟等手段,探明了考虑太阳辐射的渠道冻害机制,建立了简明实用的渠道冻胀解析力学模型和动态精准的多场耦合数值模型,提出了渠道“适缝”防冻胀技术,为太阳辐射作用下寒区渠道的冻胀设计、工程校核、精准预测和防治提供理论和技术支撑。主要研究内容和成果如下:(1)采用长弧氙灯和低温试验箱进行了不同太阳辐射强度和下垫面情况下的土柱单向冻结试验,揭示了结构表面热响应机制和冻土冻胀机制。研究发现:太阳辐射可增大结构表面热通量和对流换热通量,线性增加其温度,并推迟冻土快速和稳定冻胀的时间,削减冻胀;太阳辐射使冻土水、热、力三场特征波动,引起的土体昼夜冻融使水分迁移具有接力累积特性;本质是太阳辐射和气温的时空热耦合作用引起了冻土冻结速率变化,进而导致了水分迁移、冰水相变和冻胀的耦合变化。(2)开展了阴、阳坡差异性太阳辐射强度下的渠道冻胀模型试验,探究了渠道阴阳坡效应冻害机理。研究发现:太阳辐射使阴、阳坡温度差值具有时空效应;随着渠道阴、阳坡日均吸收太阳辐射强度差值的增大,二者的冻深比、变形比和应变比由1近似线性增大;在日均-15℃气温条件下,阴、阳坡太阳辐射强度差为39.2 W/m~2时,阴坡的冻深、变形和应变约是阳坡的1.4倍;渠道冻害本质为阴、阳坡差异性热边界引起的差异性冻土水、热、力三场耦合冻胀,随后给出了利用太阳辐射削减冻害的建议。(3)为实现渠道冻胀科学化设计,根据试验结果,将太阳辐射对渠道冻胀的影响简化为阴、阳坡冻深差异引起的衬砌变形差异,基于Pasternak地基上Timoshenko梁理论建立了考虑太阳辐射的渠道衬砌冻胀解析力学模型。该模型弥补了Winkler地基上Euler-Bernoulli梁这一传统模型未考虑太阳辐射、冻土和衬砌剪切作用及切向冻结作用的不足,其合理性和正确性得到了模型试验和有限元结果验证。随后讨论了地基和梁模型及其参数影响,为力学模型的实际应用进行参数率定。(4)为精确计算太阳辐射作用下的渠道水-热-力耦合冻融过程,复核力学模型设计结果,建立了考虑太阳辐射和阴影遮蔽的渠道冻胀水-热-力耦合数值模型。该模型考虑了太阳辐射和昼夜温差时空变化对结构冻胀的影响,并通过单向冻结试验、模型试验和现场监测数据验证了模型的准确性。基于该模型给出了东西走向渠道顺时针旋转至南北走向过程中的水、热、力耦合冻胀响应变化规律,进一步分析了太阳辐射对渠道冻胀破坏的影响。(5)基于揭示的渠道冻害机理及构建的数值模型,建立了考虑衬砌-基土及纵缝填充接触作用的渠道冻胀分析模型,提出了考虑太阳辐射的渠道“适缝”防冻胀技术。该技术对规范中纵缝防冻胀措施进行了量化提升,其采用单缝削减应力集中,依据削减程度和结构整体性优化缝宽,通过多缝组合调整衬砌冻胀均匀性。工程实例表明,阴坡采用坡脚+1/4坡板+3/4坡板组合设缝,阳坡采用坡脚+3/4坡板组合设缝,可使衬砌应力满足强度要求,减少压应力50%以上,说明该技术可有效削减由太阳辐射造成的不对称、不同步冻胀破坏。
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