梯形混凝土衬砌渠道在季节性冻土地区均会不同程度发生冻胀破坏。文章针对内蒙古河套灌区典型渠道冻胀受力情况进行分析，通过力学方法对冻胀破坏进行判断，为中国北方季节性冻土地区冻胀研究提供技术依据。

随着西部大开发和振兴东北等重大区域性战略的实施，季冻土区土体的冻胀防治问题逐渐引起人们的关注。实际工程中冻胀主要发生在受季节性温度影响的非饱和土中，其防治措施的选择成为亟待解决的问题。分析总结了土体冻胀产生的原因与处理措施，从土体改良、控制温度、控制水分、改变基础形式等方向出发，简要评价了每种冻胀防治措施的利弊，指出将不同的方法择优组合应用是目前主要的研究方向。

为探究渠道衬砌与冻土接触面间存在的冻结约束、相对滑动与分离等接触作用对渠道衬砌冻胀破坏的影响,该研究以整体式U型渠道冻胀破坏监测试验为原型,构建了考虑接触和不考虑接触两类渠道冻胀模型,结合现场试验结果评估模型的合理性,并分析衬砌的冻胀变形与受力变化过程。结果表明:相比于不考虑接触模型,考虑接触模型的模拟结果更符合现场试验情况。在边坡处,考虑接触模型的法向应力峰值与试验监测峰值接近,不考虑接触模型的法向应力峰值可达前两者的3.3倍。试验与考虑接触模型的渠底法向应力基本为0,而不考虑接触模型中则存在持续增大的拉应力。现场试验的衬砌-冻土接触面间存在渠底分离与渠坡相对滑动过程,因此需由考虑接触模型模拟分析该过程。在试验与考虑接触模型中,渠底处衬砌与基土由于发生分离而产生空隙,此后悬空衬砌与渠坡基土发生相对滑动,释放了冻胀基土对衬砌的挤压力。考虑接触模型中的相对滑动改变了衬砌应力的发展趋势,由不考虑接触模型的“增力”变为考虑接触模拟的“卸力”。与不考虑接触模型相比,考虑接触模型的衬砌上、下表面正应力峰值分别降低了903%和164%,下表面切向力峰值降低了248%。在渠道冻胀模型中考虑接触作用更...

季节性冻土区渠道混凝土衬砌冻胀破坏一直是困扰灌区健康发展的难题。导致渠道混凝土衬砌冻胀破坏的主要外界因素有衬砌表面温度、渠基土地下水与渠基土质等。大量实验证明,在太阳辐射的作用下渠道混凝土衬砌与渠基土体之间产生一定的温度差,从而形成一定的温度梯度,使得渠基土水分不断向衬砌底部迁移,产生较大的法向冻胀力,造成衬砌鼓起与脱落。文章在考虑太阳辐射因素对渠基土体温度场影响的基础上,将其回归成正弦函数T代入热力学方程中,并通过MATLAB编程计算出太阳辐射因素下渠道不同位置各个时刻t的深度z随温度T的变化规律,为以后季节性冻土区渠基土体温度场计算提供了一种简单可行的方法。

南水北调中线应急供水工程渠道季节性冻土冻胀灾害,在河北省境内分布普遍且问题突出。其中第S1～S12标段渠道地基岩性主要为壤土、砂壤土、粉细砂,均须考虑冻胀问题。渠道设计时针对不同的地基岩性虽然采取了不同的防治冻胀的措施,但仍有部分渠道衬砌出现了不同程度的冻胀破坏。通过对工程中的季节性冻土发生冻胀破坏的部位进行统计、分析和研究,阐明了不同冻胀破坏发生的原因和机理,从预防和优化防冻设计角度提出了防冻胀的方法和地基处理措施。

渠道衬砌冻胀及损伤问题是季节性冻土区普遍存在的现象,这些问题被认为是热量输送和水分流动过程之间相互作用造成的。本文提出了一种新型的衬砌结构,并在大石桥市某灌区研究了新型及传统衬砌结构对渠道冻胀的影响,并采用组合热量传输和水分流动的二维耦合模型分析了新型和传统渠道衬砌结构的温度变化特征及新型衬砌防冻胀效果,两种渠道衬砌结构不同深度处的温度数值模拟结果与现场实测结果基本一致。现场观测结果表明:新型渠道衬砌结构具有渗漏低、导热系数低、排水速度快、不均匀变形低等特点。因此,在季节性冻土区这种新的渠道衬砌结构可以很好地防止冻胀破坏的发生。

寒区输水渠道冻胀破坏直接影响着工程安全及效益发挥,基土冻胀变形及其与结构相互作用共同导致衬砌冻胀破坏发生。采用低温室循环供冷,模型槽底部砂砾石层补水,设计衬砌渠道低温冻胀模型试验,研究渠基土体的温度场、水分场、变形场和衬砌位移之间动态耦合规律,对比观测了冻融试验前后渠基土横剖面物理性状的变化。研究表明:引起基土冻胀变形的水分迁移量及结冰量受温度梯度、冻结速率控制,也受土体初始含水率的制约;渠道断面形状影响渠道的温度边界和热传导,使各部位冻结速率及冻胀变形不一致。渠基土冻结过程中兼有冻胀和挤密,土体受挤压程度同样受渠道衬砌及断面形状的影响,土体内应力复杂。渠基土冻胀与衬砌位移不协调,导致渠底衬砌与土体脱空且偏心受拉。土体冻结时与衬砌间形成接触分凝冰层,传递作用力;温升融化时,接触分凝冰层消融,表层土体强度丧失,造成渠坡滑动失稳破坏和衬砌结构大面积的滑塌。

目前季节性冻土区冬季停水渠道的保温防冻胀措施已经有很多,并且已经基本成熟,在工程中的应用效果也很好,但冬季输水渠道一般直接套用冬季停水渠道的防冻胀措施,因此,迫切需要找出一种针对冬季输水渠道的防冻胀措施。本文采用有限元软件,利用热阻等效原理对冬季输水渠道的温度场、应力场、位移场进行数值分析,最终提出一种适用于冬季输水渠道的新式保温防冻胀措施。该措施主要是在渠坡顶部和水面以上边坡板后铺设聚苯乙烯保温板,水面以下不铺设保温材料。模拟结果表明:新式保温结构等温线较无保温措施的情况分布更加均匀,并且可以极大的降低和改善渠道水面、空气、衬砌板交界处及其附近的应力分布情况;厚度为0、8、10、12、13、14、15cm的聚苯乙烯保温板被铺设后,渠道混凝土衬砌板最大位移依次分别为6.25、3.7、3.25、2.75、2.5、2.46、2.35 cm,从中取出最优的保温板厚度为13 cm,此时冻胀量由6.25 cm降至2.5cm,符合规范要求。本文提出的季节性冻土区冬季输水渠道新式防冻胀措施不仅可以节约工程成本,而且还能减少渠道的次数维修和延长其使用年限。

对埋置在冻土层内的管道因周围土体力学特征的改变及管道自身的冻结危害进行了分析,列举了管道系统易发生的常见冻害,并且对其发生机理进行了系统阐述。针对不同的冻害类型,提出了多种有效的防冻解决措施以及保温措施,为季节性冻土区给排水系统的设计及施工提供了依据。

针对西北地区输水明渠易发生冻胀破坏的问题,依据热传导和水分迁移理论建立冻结期渠基土温度场,以分析渠道内过水对温度场分布的影响为目标,以新疆玛纳斯河四级水电站引水渠为典型案例,应用有限元软件进行温度场的模拟,并将结果与相关文献中的数据及破坏类型进行比对,验证模拟的合理性。结果表明:渠道内是否过水对渠道的温度场有显著的影响,主要是其温度场的分层发生变化且其温度线也出现了强烈波动。经实地观察发现,输水明渠渠基土体易产生较大的冻胀变形导致衬砌板胀裂、隆起及滑塌等破坏十分严重的位置与模拟中温度场发生变化的位置基本一致,且满足误差要求。用冻结期渠基土温度场变化来预测输水明渠发生冻胀破坏的准确位置具有很大的参考价值。