CN106529046B - 冬季低水位运行时混凝土梯形渠道的抗冻胀破坏验算方法 - Google Patents

Abstract

一种冬季低水位运行时混凝土梯形渠道的抗冻胀破坏验算方法，将渠内水面线以上、与基土冻结为一体的混凝土边坡板部位视为渠内水面线以下部位混凝土边坡板的约束，视渠内水面线以下部位的混凝土边坡板为水压力、板自重以及底板约束作用的悬臂结构；将底板视为作用有水压力和底板自重、两端有混凝土边坡板约束的水平搁置于基土之上的受力构件；对混凝土边坡板和底板分别按拉弯组合作用和压弯组合作用产生的拉应力与混凝土轴心抗拉强度比较，以此来判断混凝土边坡板和底板能否抵抗渠基土的冻胀破坏作用。采用本发明抗冻胀破坏验算方法进行混凝土渠道衬砌层在低水位工况下的抗冻胀破坏设计，可以确保混凝土渠道具有足够的抗冻胀破坏能力，保证混凝土渠道安全可靠运行。

Description

冬季低水位运行时混凝土梯形渠道的抗冻胀破坏验算方法

技术领域

本发明涉及一种针对混凝土梯形渠道冬季低水位运行时衬砌层的抗冻胀破坏验算方法，具体应用于季节冻土区的、上游无水库调节的引水式电站的引水渠道的设计之中。

背景技术

在长线输水工程中，我国广泛采用的是具有增强渠道的防冲能力、改善水流条件、减少渗漏损失的混凝土防渗渠。但是，在寒区的混凝土衬砌渠道，因渠基土的不均匀冻胀变位而产生裂缝、隆起和滑塌等破坏现象。使混凝土渠道的防渗功能失效，渠水渗漏致使含水量的增加，使衬砌层冻胀破坏程度加大，恶性循环，最终不得不重建渠道，造成人力物力的大量消耗。

目前，对冬季输水的混凝土渠道边坡板的抗冻胀破坏验算方法已有报道，即渠内水面线以上的边坡板下作用有均匀、与坡面外法线方向一致的法向冻胀力，和均匀的、指向坡顶的切向冻胀力，在这些冻胀力的作用下进行边坡混凝土板的抗拔验算和抗弯验算。该方法不仅没有考虑渠基土的双向冻结，而且没有考虑渠水位发生变化影响。当渠内水位较低时，虽然作用的荷载形式与前相同，但与实际渠道的破坏现象不完全符合。所以该方法不适用于冬季低水位运行时的渠道边坡混凝土衬砌层的抗冻胀破坏验算。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提出了一种适用于冬季低水位运行时混凝土梯形渠道的抗冻胀破坏验算方法。考虑冬季渠内水位较低的运行工况，可以确保衬砌层具有在低水位工况下有足够的抵抗冻胀力作用能力，保证渠道的安全可靠的运行，最大限度地发挥工程效益。

冬季，因受渠道中温度为0℃以上的渠水保护作用，渠中水面线以下的混凝土边坡板及其下土体的温度维持在0℃以上，土体无冻结，水下部位的混凝土衬砌层无变位；而水面线以上的混凝土边坡衬砌层暴露在大气中，在大气负温的作用下，水面线以上部位渠基含水土层冻胀，此部位的混凝土衬砌层就有了沿坡面向坡顶和垂直坡面向渠内的位移趋势。

由于渠内水位低，渠堤边坡板斜长范围内下部的渠堤土不冻结而上部较长的渠堤土体与衬砌层冻结为一体。混凝土边坡板不能够约束冻结的渠基土的冻胀变位，则渠基土无法向冻胀力作用于边坡混凝土板，且带动渠水面线以下部位混凝土边坡板变位。因而渠内水位以上渠堤土的冻胀作用使边坡衬砌层不仅有沿边坡滑动的趋势，更有因混凝土衬砌层刚性较大而使水面线下的混凝土边坡板与渠基土分离的趋势，即水面线下的衬砌层有克服自重、水压力以及底板约束力的作用而向渠堤外法线方向上位移的趋势，而底板有从两端被抬起的趋势。而变位的边坡板通过摩阻使渠底板有克服水压力和底板自重被抬起的趋势。所以，冬季低水位运行时不仅要对边坡混凝土衬砌层进行抗冻胀破坏能力的验算，还要对底板进行抗冻胀破坏验算。

发明所采用的技术方案：

本发明冬季低水位运行时混凝土梯形渠道的抗冻胀破坏验算方法，过程如下：

1)不考虑水平分缝的影响，将渠内水面线以上、与基土冻结为一体的混凝土边坡板部位视为渠内水面线以下部位混凝土边坡板的约束(即固定端)，视渠内水面线以下部位的混凝土边坡板为水压力、板自重以及底板约束作用的悬臂结构；

2)将底板视为作用有水压力和底板自重、两端有混凝土边坡板约束的水平搁置于基土之上的受力构件；

3)对混凝土边坡板和底板分别按拉弯组合作用和压弯组合作用产生的拉应力与混凝土的轴心抗拉强度比较，以此来判断混凝土边坡板和底板能否抵抗渠基土的冻胀破坏作用。

所述的冬季低水位运行时混凝土梯形渠道的抗冻胀破坏验算方法，底板端部与边坡混凝土板间的相互约束，可用水平约束力和铅垂约束力来表示，即水平约束力为混凝土边坡板自重沿坡面切向分力与切向冻胀力代数和在水平向的分力，而铅垂方向的约束力为自重沿坡面切向分力与切向冻胀力代数和在铅垂方向的分力与板间的摩阻力的代数和；若混凝土边坡板自重沿坡面切向分力小于切向冻胀力，理论上不用进行底板的抗冻胀破坏验算，但考虑到冻胀是发展的过程，则可用边坡板的自重在坡度方向上切力作用在底板上来进行底板的抗冻胀破坏验算。

本发明的有益效果：

1、本发明冬季低水位运行时混凝土梯形渠道的抗冻胀破坏验算方法，解决了季节冻土区混凝土渠道冬季低水位运行工况下混凝土边坡板和底板抗冻胀破坏能力验算。通过将与冻土冻结为一体的边坡混凝土衬砌层视为渠内水位以下混凝土衬砌层的约束部分(即固定端)、渠内水位以下部位的混凝土衬砌层视为有水压力、板自重以及底板约束荷载作用的悬臂结构，而底板为两端有混凝土边坡板作用的约束力、板上有均布水压力和底板自重的搁置在渠基土上的受力构件。据此受力构件进行渠道衬砌层进行抗冻胀破坏能力的验算，以保证渠道具有足够的能力抵抗渠基土冻胀的破坏作用。

2、在如新疆这样荒漠、半荒漠地区，人们生活择水而栖，工农业的发展也都依赖于三山(昆仑山、天山和阿尔泰山)产水并发育成大小不一的各条河流。而水能是一种清洁、绿色、再生能源。从上世纪60年代开始兴建水电站，至今，仍未停止在各河流上规划和建设的各级电站的步伐。从河道引水，乃至电站的尾水送至下一级电站都需要渠道输水。而季节冻土地区的冬季输水渠道，不仅存在着渠内水结冰对衬砌层的冰推、冰拔破坏作用，而且还有渠内水面线以上基土的冻胀对衬砌层破坏作用。在这两种破坏作用使渠道砌石或混凝土衬砌层产生裂缝、隆起和滑塌等破坏现象，冻害和冰害使得衬砌渠道失去防渗防冲功能。而新疆河流多为山溪性河流，主要由山地降水、冰雪(川)融水补给，因而来水流量有明显的季节性变化，即夏季水量多冬季水量少的特点。河流冬季来水量远较夏季丰水期的少，河道能引入渠道的流量往往只有渠道设计流量的20％左右。所以，对上游无水库调节的引水式水电站的引水渠来说，冬季渠内水位低。

目前绝大多数冬季输水渠道是按冬季停水渠道来设计的。这是因为人们潜意识里认为:由于冬季输水渠道的基土不像冬季停水渠道的基土在渠道整个横断面上全部冻胀，而是仅在渠内水面线以上边坡部位冻胀，所以，渠基土的冻胀不如全断面冻胀那么严重，衬砌层破坏程度也就比冬季停水渠道的轻。但是，工程实际是究竟是否如此，还有待进一步论证。对于冬季输水渠道的冻胀破坏问题，人们才开始着手研究，有学者提出将桩的冻拔问题引入到冬季输水渠道边坡板的抗冻胀能力验算之中。然而低水位情况下，水面线以下的边坡板变位几乎不受限制，所以，这种方法并不适用于低水位运行的混凝土渠道。而本发明冬季低水位运行工况渠道混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法建立了冬季输水渠道引水量较小时衬砌层的力学模型，从而实现了混凝土衬砌层的结构设计，保障了渠道的衬砌层防渗防冲功能的长效性。该技术的应用带来的显性、直接效益就是不再修建运营期间还需要经常耗时耗力耗资维修的渠道，即可节约大量的人力物力财力。而其隐性、间接效益就很难的评估，这效益大小取决于与冻胀破坏的渠道相比渗漏量损失减小，增加可利用水(运行多年时水量可观)的用途。若用于农业灌溉或工业生产，可由产值来衡量，若用于生态建设，带来的环境效益、经济效益、社会效益就无法估计了。

附图说明

图1为冬季低水位工况下渠道混凝土衬砌层冻胀变位图；

图中，渠床土为正温，即该区域内土体未冻结；渠床土为负温，即该区域内土体已冻结；1渠床土冻胀变位实际表面线；2渠床土未冻结时表面线；3冻结锋面线；4渠床土未冻结时衬砌层位置；5渠水位；6冻胀后衬砌层位置；

图2为冬季低水位工况下混凝土渠道边坡板受力图；

图3为冬季低水位工况下混凝土渠道底板受力图；

图中，τ为切向冻胀力；τ_max为切向冻胀力最大值；γ为混凝土容重；h为边坡衬砌层最度；h′为底板衬砌层最度；p_w为水压力强度；α为边坡板与水平面间的夹角；C、D为底板的两个端部；R_Cx为底板作用于边坡板在x方向的约束力；f_Cy′为底板在C端部作用于边坡板在y′方向的约束力，即摩阻力，也是边坡板作用于底板C端部在y′方向约束力反作用力，同记为f_Cy′；R_Cx′、R_Cy′为边坡板作用于底板C端部上在x′、y′方向的约束力，它们的合力为R_Cx的反作用力；p为底板与土体的接触应力。R_Dx、f_Dy′分别与R_Cx、f_Cy′相同，它们只是在底板D端部面上。

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

具体实施方式

实施例1

参见图1。本发明冬季低水位运行时混凝土梯形渠道的抗冻胀破坏验算方法，针对渠道冬季低水位运行工况进行。由于渠内水位低，边坡混凝土衬砌层及水压力不能够约束水面线以上渠基土的冻胀变位，渠基土无法向冻胀作用于边坡混凝土衬砌层，且带动水面线以下部位混凝土边坡板变位，使其有与下部未冻基土分离的趋势；变位的边坡板通过摩阻使渠底板有克服水压力和底板自重被抬起的趋势；在此基础上，不考虑水平分缝的影响，将渠内水面线以上、与渠基土冻结为一体的混凝土边坡板部位视为渠内水位以下部位混凝土边坡板的约束(即固定端)，视渠内水面线以下部位的混凝土边坡板为水压力、板自重以及底板约束作用的悬臂结构；将底板视为作用有水压力和底板自重、两端有混凝土边坡板约束的水平搁置于基土之上的受力构件；对混凝土边坡板和底板分别按拉弯组合作用和压弯组合作用产生的拉应力与混凝土抗拉强度比较，以此来判断混凝土边坡板和底板能否抵抗渠基土的冻胀破坏作用。

实施例2

参见图1、图2、图3，本实施例的冬季低水位运行时混凝土梯形渠道的抗冻胀破坏验算方法，与实施例1不同的是，进一步的：将所述底板端部与混凝土边坡板间的相互约束，用水平约束力和铅垂约束力来表示，即水平约束力为混凝土边坡板自重沿坡面切向分力与切向冻胀力代数和在水平向的分力，而铅垂方向的约束力为自重沿坡面切向分力与切向冻胀力代数和在铅垂方向的分力与板间的摩阻力的代数和；

若混凝土边坡板自重沿坡面切向分力小于切向冻胀力，理论上不用进行底板的抗冻胀破坏验算，但考虑到冻胀是发展的过程，则可用混凝土边坡板的自重沿渠坡的切向分力作用在底板上来进行底板的抗冻胀破坏验算。

实施例3

参见图1、图2、图3，本实施例的冬季低水位运行时混凝土梯形渠道的抗冻胀破坏验算方法，将底板端部与混凝土边坡板间的相互约束，用水平约束力和铅垂约束力来表示，即水平约束力为混凝土边坡板自重沿坡面切向分力与切向冻胀力代数和在水平向的分力，而铅垂方向的约束力为混凝土边坡板自重沿坡面切向分力与切向冻胀力的代数和在铅垂方向的分力与板间的摩阻力的代数和，参见图3；若混凝土边坡板自重沿坡面切向分力小于切向冻胀力，考虑到冻胀是发展的过程，用混凝土边坡板的自重在沿坡面的切向力作用在底板上来进行底板的抗冻胀破坏验算。

混凝土边坡板受到底板约束的力，为底板作用于混凝土边坡板的反作用力。但是为了方便混凝土边坡板的内力分析，用平行于边坡面的切向力和铅垂向下的摩阻力表示，参见图2。具体验算方法及过程如下：

对于冬季过水的混凝土强度等级为C20的衬砌防渗渠道，渠深H′＝4.5m，渠内水深H＝1.5m，边坡系数m＝1.75,底宽为b＝3m,边坡衬砌层厚度h＝0.13米，底板衬砌层厚度h′＝0.15m，混凝土和水的容重分别γ＝24kN/m³,γ_w＝10kN/m³，切向冻胀力最大值τ_max＝17.0kN/m²,混凝土板间摩阻系数为0.4，试验算该渠道混凝土衬砌层抗冻胀能力是否满足要求。

1)底板端受边坡的约束，即板自重在边坡切向的分力为：R_Cx＝14.04kN

边坡板作用于底板C端部上在x′方向的约束力为：R_Cx′＝12.16kN

边坡板作用于底板C端部上在y′方向的约束力为：R_Cy′＝6.95kN

板间摩阻力为f_Cy′＝4.86kN

据底板混凝土衬砌层铅垂方向上力的平衡原理得底板端部(纵向上取长度1米计)支反力R_Cy′为R_Cy′＝6.95kN大于f_Cy′＝4.86kN，边坡板在坡面法向上有位移。而底板竖向力为10.8+45+2×6.95＝69.70kN,远大于2×4.86＝9.72kN,即底板的基底压力p＝20.00kN/m²大于零，可不用考虑冻胀对底板的影响，底板是安全的。

2)根据边坡混凝土衬砌层的力和力矩平衡得渠水面线处的(纵向上取长度1米计)固定端支座约束力分别为：

边坡板固定端位置处法向约束为R＝36.39kN，指向渠内。

考虑底板摩阻作用，固定端的弯矩为：M＝12.41+45.90+12.76＝71.07kN.m

边坡板横截面抵抗矩W＝0.002817m³

轴向约束为N＝42.15kN，指向坡顶，由此可知，边坡板向坡顶移动，有与底板分离的趋势，底板对边坡板的约束力逐渐增减小。

边坡板的轴向拉力为N＝42.15kN

边坡板横截面面积为A＝0.13m²

仅就水压力和边坡板自重产生的拉应力为远大于1100kPa，材料抗拉强度不能满足要求，即边坡板发生破坏。

若再考虑边坡板和底板两者未分离时的拉应力为就更不能满足材料强度的要求。

Claims (2)

1.一种冬季低水位运行时混凝土梯形渠道的抗冻胀破坏验算方法，其特征在于：

1）不考虑水平分缝的影响，将渠内水面线以上、与基土冻结为一体的混凝土边坡板部位视为渠内水面线以下部位混凝土边坡板的约束，视渠内水面线以下部位的混凝土边坡板为水压力、板自重以及底板约束作用的悬臂结构；

2）将底板视为作用有水压力和底板自重、两端有混凝土边坡板约束的水平搁置于基土之上的受力构件；

3）对混凝土边坡板和底板分别按拉弯组合作用和压弯组合作用产生的拉应力与混凝土的轴心抗拉强度比较，以此来判断混凝土边坡板和底板能否抵抗渠基土的冻胀破坏作用；

底板端部与边坡混凝土板间的相互约束，用水平约束力和铅垂约束力来表示，即水平约束力为混凝土边坡板自重沿坡面切向分力与切向冻胀力代数和在水平向的分力，而铅垂方向的约束力为混凝土边坡板自重沿坡面切向分力与切向冻胀力的代数和在铅垂方向的分力与板间的摩阻力的代数和；混凝土边坡板受到底板约束的力，为底板作用于混凝土边坡板的反作用力，为方便混凝土边坡板的内力分析，用平行于边坡面的切向力和铅垂向下的摩阻力表示。

2.一种冬季低水位运行时混凝土梯形渠道的抗冻胀破坏验算方法，其特征在于：

1）不考虑水平分缝的影响，将渠内水面线以上、与基土冻结为一体的混凝土边坡板部位视为渠内水面线以下部位混凝土边坡板的约束，视渠内水面线以下部位的混凝土边坡板为水压力、板自重以及底板约束作用的悬臂结构；

2）将底板视为作用有水压力和底板自重、两端有混凝土边坡板约束的水平搁置于基土之上的受力构件；

3）对混凝土边坡板和底板分别按拉弯组合作用和压弯组合作用产生的拉应力与混凝土的轴心抗拉强度比较，以此来判断混凝土边坡板和底板能否抵抗渠基土的冻胀破坏作用；

在混凝土边坡板自重沿坡面切向分力小于切向冻胀力的情况下，考虑到冻胀是发展的过程，用混凝土边坡板的自重沿渠坡的切向分力作用在底板上来进行底板的抗冻胀破坏验算；混凝土边坡板受到底板约束的力，为底板作用于混凝土边坡板的反作用力，为方便混凝土边坡板的内力分析，用平行于边坡面的切向力和铅垂向下的摩阻力表示。