基于双向抗冻胀变形控制的U形渠道防渗衬砌结构研究

U-shaped branch and lateral channel that across three different geographical environment including southern loess hilly and mountainous areas ,arid area in central and northern soil salinization distribution will be chosen for the study objective,monitoring network will be arranged on typical regional channel test section, and a combination method of both on-site test and theoretical analysis will be used ,in order to explore the frost heaving resistant traits of irrigation canals anti-seepage and lining structure in different natural environment of Ningxia irrigration district.The transverse and longitudinal deformation rules of lining structures of canals under freezing-thawing cycles will be focused on,mechanical model and numerical model of frost heaving deformation which is considered two-way(transverse and longitudinal) simultaneously will be established,to find U-shaped long-span integral lining structure which has superior performance and adapt to the local environment in this research project. In theory,research results will make up the defect that did not take into account the axial direction frost heave in previous studies in seasonal frozen soil irrigation area,and round out the basic theory with Ningxia regional characteristics.In practical application,the unfavorable situation includes the serious frost heave damage in farmland water conservancy auxiliary projects,the low irrigation water use efficiency will be expected to be reversed ,and to provide technology support for water resources balance of supply and demand in arid areas ,high standards of construction of prime farmland,sustained and steady development of modern agriculture.

以跨越南部黄土丘陵山区、中部干旱带和北部盐渍化分布区三个不同地理环境的宁夏引（扬）黄灌区的支、斗级U形渠道为研究对象，选择典型区域渠道试验段布置观测网，采用现场试验观测与理论分析研究相结合的方法，探索不同自然环境中灌溉渠道防渗衬砌结构抗冻胀破坏性状。重点研究渠道衬砌结构受冻融循环作用时的横向和纵向变形规律，建立考虑双向（横向和纵向）冻胀变形的渠道衬砌结构冻胀破坏力学模型和数值模拟计算模型，研发适应本地环境的抗冻胀性能优越的大跨度整体结构的U形混凝土衬砌渠道。研究成果在理论上以期弥补季节性冻土灌区输配水渠道防渗衬砌结构抗冻胀性能研究中未考虑纵向冻胀变形影响的不足，完善具有宁夏地域特色的渠道抗冻胀防渗结构基础性研究理论；在实际应用上以期扭转当地农田水利配套工程冻胀破坏严重、灌概用水效率低的不利局面，为缓解干旱缺水地区水资源供需矛盾，实施高标准基本农田建设，促进现代农业持续稳定发展提供技术支持。

渠道冻胀破坏是制约受季节性冻融影响的灌溉农业地区高标准农田建设的瓶颈问题。项目以宁夏引（扬）黄灌区为研究背景，以小型农田水利支、斗、农渠为研究重点，采用季冻灌区现场原位监测试验、理论分析和数值模拟计算等研究相结合的研究方法，对当地分布广泛、数量巨大且属于最基础的农田水利配套建筑物的小U形混凝土衬砌渠道冻胀破坏特点、混凝土防渗衬砌板不同结构型式的冻胀变形规律、渠道双向（横向和纵向）变形的抗冻胀防渗衬砌结构型式优化等问题进行了深入系统地研究，取得以下重要结果：①选择两个不同类型典型灌区布设试验点，针对混凝土U形衬砌渠道的特征，制定了原位监测方案，经过4年的不断实践与探索，监测技术与方法日臻完善；②积累了4年的混凝土U形衬砌渠道冻胀变形监测资料与数据，并对这些资料进行了详细分析与研究；③建立了整体式、两拼式和三拼式混凝土U形衬砌渠道的冻胀破坏力学模型；④利用有限元数值模拟技术，建立了基于双向（横向和纵向）变形控制的整体式混凝土U形衬砌渠道的数值模型，结合原位监测数据以及经典结构力学分析结果，对不同断面尺寸、不同跨度和不同板缝构造的混凝土U形衬砌渠道冻胀变形特点、破坏规律进行了研究，解释了原位监测（或实际工程）中遇到的混凝土U形衬砌板距渠底1/3-2/3处出现贯穿裂缝的原因，讨论了不同跨度和不同板缝构造对冻胀变形的影响；⑤与南京水科院合作开展的混凝土U形衬砌渠道冻胀变形离心模型试验正在进行之中。上述研究结果扩展了季节性冻土灌区输配水渠道防渗衬砌结构抗冻胀性能研究中有关小U形渠道双向（横向和纵向）冻胀变形的研究范围，研究获得的渠道冻胀变形规律，可以为高标准基本农田建设、促进现代农业持续稳定发展提供技术支持；在此基础上，与相关农业综合开发建设部门合作，正在编制的小U形混凝土衬砌渠道衬砌结构优化设计与相应的施工质量控制导则，将在灌区高标准农田建设中推广应用，以期指导农田水工程实践。