灌排两用渠道刚柔耦合衬护结构的力学分析

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇灌排两用渠道刚柔耦合衬护结构的力学分析范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘要：通过对高地下水位区灌排渠道滑塌、冻胀破坏成因分析，本文对刚柔耦合衬护结构进行了在重力、滑动力（抗滑力）、冻胀力（冻结力）等作用下的简单力学分析，为工程实践提供有利的力学依据。

关键词：灌排渠道；冻胀破坏；衬护结构；力学分析

Abstract: based on the high ground water area irrigation and drainage channel slump, frost heaving damage cause analysis, the paper on the coupling line can protect structure in the gravity, the slippery power (sliding resistance), freezing expansion force (freeze force) under the action of simple mechanical analysis, to engineering practice with favorable mechanics basis.

Keywords: irrigation and drainage channel; Frost heaving destruction; Lining the structure; Mechanics analysis

中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：

引言

高地下水位区灌溉渠道因其特殊的水文地质条件造成渠床地下水外渗溢出点位于渠底以上,或高于渠水位,渠道运行条件极为复杂。许多工程采用传统的混凝土衬砌，使大量的渗积水难以外排，边坡冻胀滑塌破坏严重，工程寿命缩短。目前,对高地下水位区灌溉渠道的衬护,人们对渠道特有的复杂运行条件认识不够, 长期以来,工程实践中对高地下水位区灌溉渠道的衬护,缺乏简捷有效且经济适用的方法。因此，对灌排两用渠道刚柔耦合衬护结构的力学研究非常必要。为此,本文将在前人研究基础上进一步研究。

1 灌排渠道滑塌、冻胀破坏特征及原因分析

导致高地下水位灌溉输水渠滑塌破坏的主要因素有:冻胀与冻融破坏,冬季地下水位较高时,渠床土壤大部分处于饱和状态,在强烈的冻胀力作用下,使衬砌体鼓胀隆起。同时,冻融的反复循环,使渠床土壤质地和结构发生变化,土质疏松,抗剪强度指标下降,解冻后渠坡发生滑塌。碱胀破坏,地下水或渠床土体中的钠离子具有离散作用,硫酸盐离子具有盐胀作用,盐分结晶体膨胀,土体经几次晶胀,最终成为松散体。晶胀量随含盐量增大而增大。同时,盐离子的存在,影响了土壤的液限、塑限,在较小的含水量情况下土体就会出现稀化状态,抗剪强度大大降低。地下水渗蚀破坏,地下水具有一定的水力梯度,形成一定的渗透力,增加了边坡土体的下滑力,同时渗水产生冲蚀,使浸润线以下部分的坡脚塌入渠中,相邻的上部土体也因失去支撑而相继滑下。渠道时断时续的输水运行方式和动水工作状态会使渗蚀滑塌加剧,滑塌现象由局部和不连续变为较大范围和连续的滑塌。地下水浸湿软化,地下水位以下边坡土体长期浸水处于饱和状态,土体物理力学指标降低,抗滑能力下降。

2 衬护结构的力学分析

2.1 边坡稳定性分析

衬护后边坡的稳定性是用重力与地下水的作用力以及衬护结构的支护作用形成的抗滑力与滑动力来判定的。边坡渗流溢出线以下的边坡表面层单位土体力的极限平衡方程式为:

（1）

式中:N为衬护体自重产生的垂直坡面的压力;r′为边坡土体浮密度(g/cm3); 为水的密度(g/cm3);Ic为临界水力坡降; 为流线与水平线的夹角; 为边坡坡角; 为土体内磨擦角; 为衬砌体与坡面土体的内磨擦角。

取边坡渗流逸出处单位土体,据受力条件,其滑动力和抗滑力分别为:

滑动力=（2）

抗滑力= （3）

渠道停止输水后,边坡渗流坡降较大,对边坡稳定最不利。

2.2渠坡空心构件和渠底衬护构件的分析

在计算之前,首先对冻土及渠道做如下假设:

（1)冻土及衬砌混凝土框架均为线弹性材料,可应用迭加定理;

（2）渠床土冻结前已固结完成，不计冻土的压缩效应；

（3)冻土的弹性模量远小于混凝土的弹性膜量冻土不参与衬护板的弯曲变形,只对衬护板施加冻胀力,并提供被动冻结约束;

（4)渠坡空心衬护构件与渠底衬护构件连接处，渠坡坡脚处法向冻胀力与渠底坡脚处法向冻胀力数值相等;

（5)就渠边坡段和渠底段而言,近似为单向冻结,不考虑沿渠道段面周长方向的冻结影响;

（6)渠底衬护构件两端受渠坡空心衬护构件铰性约束,法向冻胀力沿弧长均匀分布,可简化为两端简支弯梁。

2.2.1渠坡空心构件的受力分析

渠道边坡因其含水量沿高程发生改变,故其冻胀量亦不同。越接近渠底,含水量越高,冻胀量越大。它主要受到以下力的作用:

(1)重力

高地下水位区，考虑到地下水的作用力，边坡容易发生滑坡现象。因此，要考虑重力以及衬护的支护作用来抵抗滑动力。

(2)法向冻胀力q

渠基土(垫层)冻胀时垂直作用于基础表面的作用力即为法向冻胀力,其方向垂直坡面向上,冻胀力取决于冻胀量,冻胀量决定于渠床的含水率。

(3)切向冻胀力

渠道边坡含水量的不同导致渠顶与渠底冻胀量不同，空心构件与冻土之间就会产生相对的滑移，衬护构件与冻土之间的冻结力将变成剪应力阻碍二者之间的相对滑移。F= h

(4)空心构件间的相互作用力

由于冻胀力的作用，空心构件之间有相互作用力。构件之间看成是铰性链接，无弯矩作用，只有剪应力R。

(5)抗滑力

在边坡稳定性分析中已有计算。

(6)底板的作用力

渠底衬护构件对渠侧构件具有支撑作用。

法向冻胀力分布图

2.2.2 渠底衬护构件的分析

工程实际中往往有阴坡阳坡的区别, 因而对底板两端支座反力不等, 法向冻胀力也并非均布。对底板偏安全地采用对称模型即采用阴坡模型的约束反力及法向冻胀力进行底板计算。

底板下垫层的含水量是一致的，因此假设冻胀量一样，渠底板所受冻胀力均匀分布。反拱底板内弯矩较小，主要承受轴向压力.

建立边坡板受力简图以后,由于边坡板与底板互为支座,因此不难确定底板的计算简图。作用在底板上的外力有从两侧边坡板传来的力N,底板的自重G和基土对底板的约束反力q。其中轴向压力Nx和q分别为:

底板受力简图

在冻结过程中渠底弧形部分最容易发生平行水流方向的裂缝，为增加这部分块体适应地基冻胀能力,还应每隔一定间距在板下增设与水流方向垂直的小肋。

3.结语

渠道滤透式刚柔耦合衬护结构是适用于高地下水位区灌溉渠道的一种技术优越、经济合理的衬护结构形式,具有良好的衬护功效,有效解决了因冻胀、渗蚀、碱蚀和浸湿软化造成的边坡滑塌破坏问题。

参考文献

1 王俊发,等.混凝土衬砌渠道冻胀破坏的机理及力学分析佳木斯大学学报(自然科学版)，2006，04，309—310.

2 李甲林，王正中等.高地下水位区灌溉渠道滤透式刚柔耦合衬护结构试验研究 灌溉排水学报，2005，10，63—66.

3 余书超等. 寒区渠道刚性护砌层受冻胀时的内力分析石河子大学学报(自然科学版)，1999，06.

4 谢壮初.适应冻胀变形防止渠道冻胀破坏的实践研究 农村水利水电 1993.

5 宋保卿 樊修亭 孙可寒.不同结构型式混凝土衬砌渠道抗冻胀研究.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。