冻土水热力动态耦合的衬砌渠道冻胀破坏模型

In northern dry cold irrigation areas, the lining canals are damaged by frost heaving seriously which leads to nearly 50% loss of conveyance, increases the cost for maintenance and further influences the operation of canals. The damage has become a long-term, critical problem in water conservancy construction projects. The damage of lining canals duing to heat-moisture-stress coupled fields is the result of the interaction between frozen soils and lining structure in the process of freezing of the foundation soil. On considering physics of frozen soils, mechanics of frozen soils and hydrodynamics of frozen soils in typical tests and theory analysis of randomly mixed model and model monitoring back analysis and so on, we will try to reveal the mechanism of frost heave damage and to improve the theory on frost heaving soils. In the program, the relationships between the characteristic parameters of frozen soils on seepage-temperature-deformation coupling fields will be investiaged. Based on the laws, the three coupling-field dynamics model for damage prediction of frozen soils will be built. Further, the simulation module for such kind of three coupling-filed problems will be built by using secondary development of a popular commercial finite element software. Based on our theory and considering the interaction between a lining structure and frozen soils, the coupling dynamics model to predict the damage of a lining canal caused by frost heave deformation will be presented by using numerical simulation, model experiments and prototype observation. Using the model, we can provide scientific evidences to guide the engineering constructions in northern dry cold areas, especially for the prevention of frost heave on lining canals.

北方旱寒灌区衬砌渠道冻胀破坏普遍严重，导致输水损失近50%、维修费用高，影响运行及效益，成为农田水利工程建设中的老大难问题。衬砌渠道冻胀破坏是基土冻结过程中水热力三场变化和冻土与衬砌结构相互作用的结果。本课题根据冻土物理学、冻土力学、土壤水动力学理论，通过典型试验与随机混合模型理论、模型监测反演分析等理论分析，以研究冻土水热力三类特征参数随水热力三场变化的规律为基础，以建立含相变冻土水热力三场动态耦合模型为前提，揭示冻土工程冻胀破坏机理、完善冻土科学理论。以通用结构有限元软件为平台，二次开发三场动态耦合模块。在此基础上考虑衬砌结构与冻土相互作用，通过数值模拟、模型试验和原型观测研究，建立基于三场动态耦合的衬砌渠道冻胀破坏模型；为北方旱寒地区工程建设，特别是衬砌渠道冻害防治提供科学依据。

本课题针对目前北方寒旱区输水渠道冻胀破坏严重，输水效率低的实际问题，开展了渠道衬砌冻胀破坏机理的研究。为实现课题研究目标，首先研究了渠道基土基土冻结过程中的温度场、水分场和因冻胀产生的应力场/位移场之间的耦合变化规律，在此基础上，同时考虑三场耦合作用下土体冻胀和冻土-衬砌间相互作用规律，建立了衬砌渠道冻胀破坏模型。为衬砌渠道的冻胀预测与防治提供理论指导。具体工作如下：.（1）针对冻结土体温度与水分的耦合规律，从基本物理学、热力学等角度出发，考虑冰占据孔隙体积，分析土壤表观土水势与Clapeyron方程之间的内在联系，提出了考虑固体冰作用的体积含冰量及结冰速率模型，并将其融合到基于水动力学的通用冻土水热耦合模型当中。.（2）针对土体冻结过程应力应变规律，从材料力学基本概念出发，以应变协调为前提假设，采用串联及并联模型，建立了具有宏观意义的冻土横观各向同性弹性参数的一般通式。并通过室内冻胀试验验证了所提出的冻土横观各向同性模型的合理性，避免了混合律理论冻胀模型对冻胀量的低估效应。.（3）基于以上研究，建立了反映土体冻结过程中温度场，水分场和应力/位移场间的三场耦合作用规律的冻土冻胀预报的数学物理模型，应用有限元软件开发求解程序，实现了冻土冻胀的数值仿真计算。.（4）针对渠道工程面对的实际问题，建立了考虑衬砌表面太阳辐射热效应、冻土与衬砌结构非线性接触、现浇衬砌结构塑性断裂损伤过程以及预制衬砌板间接缝破坏等因素作用的衬砌渠道冻胀数值模型，进行了衬砌冻胀破坏评价。.（5）针对衬砌渠道抗冻胀工程设计，提出了一种计算高水位渠道衬砌冻胀受力分布的方法。将其应用到一类预制板尺寸适中的预制混凝土衬砌梯形渠道中，建立了冻胀破坏力学模型。.（6） 针对衬砌渠道冻胀破坏的防治，依据固体材料接触热阻原理与压力相关的传热本构模型，在热力耦合模拟分析的基础上提出了混凝土复合保温衬砌的新型式；开展了换填法防治渠道冻胀和衬砌破坏效果的模拟分析；设计了双膜和柔性分缝两类“自适应”衬砌形式，并进行了新结构抗冻害效果的模型试验。.（7）为使理论研究与实际情况相联系，以甘肃省白银市景泰县景电工程干渠输水渠道的改造段为对象，开展了寒旱区衬砌渠道的冻胀破坏现场监测试验，建立了远程冻胀实时监测系统。