湿干冻融耦合作用下膨胀土加高渠道不协调变形机理研究

The uncoordinated deformation of expansive soil channel after heightening is a significant problem in cold region, and the long-term coupling of “wet-dry-freeze-thaw” is thought to be the main reason, which is proposed in terms of the seasonal water supply and suspension, freezing and thawing of the channels in the cold region. Firstly, centrifugal model tests will be carried out based on homogeneous expansive soil channels coupled with “wet-dry-freeze-thaw” cycles. Reasonable setting schemes of temperature boundary, consolidation method and water replenishment condition will be studied, with the deformation characteristics of the original channel coupled with “wet-dry freeze-thaw” proposed. On this basis, centrifugal model tests based on expansive soil channel after heightening will be conducted, with the conditions of “constant temperature and humidity”, “wet-dry” cycles, “freeze-thaw” cycles, and “wet-dry-freeze-thaw” cycles. The temperature field, moisture field and deformation characteristics of heightening expansive soil channels will be investigated. Then, a water-heat-force coupling calculation method will be proposed to simulate the uncoordinated deformation of expansive soil under the coupled action of “wet-dry-freeze-thaw”. Finally, through theoretical analysis, the mechanism of uncoordinated deformation of heightening expansive soil channels under the coupled “wet-dry-freeze-thaw” will be revealed, and the quantitative evaluation index of the influence of channel uncoordinated deformation on channel lining will be proposed. The research results can provide theoretical basis for the control technology of uncoordinated deformation of heightening channels in cold region of China.

针对寒区膨胀土渠道加高改造之后变形不协调的问题，从渠道每年经历通水、停水及冻结、融化的角度出发，提出长期的“湿干冻融”耦合作用是加高渠道不协调变形的主导因素。首先，拟开展均质膨胀土渠道在“湿干冻融”循环耦合下的离心模型试验，确定温度边界、固结方法和补水条件等方面的合理设置方案，揭示“湿干冻融”耦合作用下原始渠道的变形特性。在此基础上，开展膨胀土加高渠道在“恒温恒湿”、“湿干”循环、“冻融”循环以及“湿干冻融”循环耦合条件下的离心模型试验，研究渠道温度场、水分场的扩散以及新老渠道的变形特性。然后，提出水-热-力三场耦合计算方法，实现对“湿干冻融”耦合作用下膨胀土加高渠道不协调变形演化过程的数值模拟。最后，通过理论分析，揭示“湿干冻融”耦合作用下膨胀土加高渠道的不协调变形机理，提出渠道不协调变形对渠坡衬砌影响的定量评价指标。研究成果为我国寒区加高渠道不协调变形的控制技术提供理论依据。

渠道加高改造是提升现有渠道输水能力的重要手段，但是加高后新老渠道不协调变形量过大将破坏坡面衬砌，进而影响渠道正常运行。特别地，高寒区渠道长期处于“湿干冻融”循环耦合的环境中，加高渠道工程中新老渠基土的劣化差异较大，不协调变形问题更为突出。本项目采用室内试验、物理模型试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法，研究了高寒区典型渠基土在“湿干冻融”循环下的物理力学性质劣化规律，分析了排水设施对渠道稳定性的影响；开展了“湿干冻融”循环下渠道性态的离心模型试验，开发了渠道在水热力三场耦合下的计算模型，并对加高渠道在“湿干冻融”循环耦合作用下的不协调变形特性进行了分析。项目重要结果如下：提出了考虑“湿干冻融”劣化本构的渠基土水热力耦合冻融模型，并建立了加高渠道的有限元计算方法，实现了对“湿干冻融”耦合作用下渠道长期变形的数值模拟；在“湿干冻融”耦合作用下，加高渠道在“湿”、“干”、“冻”、“融”这四个阶段都会产生不协调变形，根据加高渠道的不协调变形特征，可以将由渠道加高层引起的不协调变形分为加高层漏空、结合面漏空和老渠坡漏空+加高层漏空这三种典型形态；加高渠道在“湿干冻融”前两个运行周期内主要以加高层漏空和结合面漏空两种形态为主，从第三个周期开始，老渠坡漏空+加高层漏空的形态出现开始出现在整个“冻”与“融”的阶段，这说明随着冻融次数的增加，渠坡中部衬砌开始鼓胀的趋势愈发显著；控制渠道渗漏、保证渠基土的低含水率能够有效降低渠道的不协调变形。相关研究成果对高寒区加高渠道的建设与运行管理提供了理论依据。.本项目完成学术论文14篇，其中SCI收录论文4篇，EI收录论文9篇；相关成果编入中国水利学会团体标准2部，获得中国大坝工程学会科技进步特等奖1项；申请国家发明专利6项，其中已授权5项。依托本项目的成果积累，项目负责人于2021年入选第六届中国科协青年人才托举工程。