CN109783938A - 一种抗冻拔验算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗冻拔分析方法及装置，涉及抗冻拔验算的技术领域，该方法包括：对坝坡面板进行受力分析，确定坝坡面板所受到的静冰压力；获取冻土温度，根据冻土温度得到冻胀力的切向分力；基于静冰压力和冻胀力的切向分力确定面板总冻拔力；根据面板总冻拔力计算等效附加力矩；基于面板总冻拔力和等效附加力矩对坝坡面板进行抗冻拔分析。本发明实施例根据静冰压力和冻胀力计算得到面板总冻拔力和等效附加力矩，进而实现对坝坡面板的抗冻拔分析，该方法便捷且实用性强。

Description

一种抗冻拔验算方法及装置

技术领域

本发明涉及抗冻拔验算技术领域，尤其是涉及一种抗冻拔验算方法及装置。

背景技术

均质土坝由于筑坝材料丰富、结构简单、施工快、造价低和维修方便等优点在各大灌区得到应用和推广。例如，新疆地区修建了大量的平原水库用于农业灌溉。平原水库平均坝高较低、坝轴线长、蓄水面积大、坝体土质较轻，易在低温天气受到冰冻危害。在冰冻期，水库会被厚厚的冰雪覆盖，土坝护坡面板会受到静冰压力和土体冻胀力的共同作用，成为寒区水利工程中遭受冻害较为严重的部位。

目前采用有限元等数值模拟方法对均质土坝混凝土面板冻胀破坏进行研究，存在边界条件复杂，计算过程繁琐等问题，在工程实践中难以推广应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种抗冻拔验算方法及装置，以缓解现有技术中采用有限元等数值模拟方法对均质土坝混凝土面板冻胀破坏进行研究，存在边界条件复杂、计算过程繁琐的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种抗冻拔分析方法，其中，包括：

对坝坡面板进行受力分析，确定所述坝坡面板所受到的静冰压力；

获取冻土温度，根据所述冻土温度得到冻胀力的切向分力；

基于所述静冰压力和所述冻胀力的切向分力确定面板总冻拔力；

根据所述面板总冻拔力计算等效附加力矩；

基于所述面板总冻拔力和所述等效附加力矩对所述坝坡面板进行抗冻拔分析。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述对坝坡面板进行受力分析，确定所述坝坡面板所受到的静冰压力的步骤，包括：

基于指定条件下的水库温度、库水位固定时间计算得到冻结指数；

基于所述冻结指数和冰的属性参数计算得到冰层厚度；

基于所述冰层厚度和预设表格计算静冰压力；其中，预设表格包含有静冰压力与冰层厚度的对应关系。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述基于所述静冰压力和所述冻胀力的切向分力确定面板总冻拔力的步骤，包括：

根据所述静冰压力计算第一面板冻拔力；

根据所述冻胀力的切向分力计算第二面板冻拔力；

根据所述第一面板冻拔力和所述第二面板冻拔力得到面板总冻拔力。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述根据所述静冰压力计算第一面板冻拔力的步骤，包括：

基于所述静冰压力的切向分力和冰层与面板的粘结面积计算冰层升温膨胀在冰层与坝坡面板粘结处产生的切应力；

基于所述切应力计算得到第一面板冻拔力。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述基于所述面板总冻拔力和所述等效附加力矩对所述坝坡面板进行抗冻拔分析的步骤，包括：

基于所述面板总冻拔力对所述坝坡面板进行抗拔移分析，得到所述坝坡面板的位移分析结果；

基于所述等效附加力矩对所述坝坡面板进行抗压强度分析，得到所述坝坡面板的冻拔强度分析结果。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述基于所述面板总冻拔力对所述坝坡面板进行抗拔移分析，得到所述坝坡面板的位移分析结果的步骤，包括：

基于所述坝坡面板与未冻土之间的静摩擦力，利用抗冻拔力公式计算坝坡面板的参照抗冻拔力；

判断所述面板总冻拔力是否大于所述参照抗冻拔力；

若所述面板总冻拔力大于所述参照抗冻拔力，则坝坡面板沿着所述面板总冻拔力的方向产生整体移动，产生坝坡面板对上方面板的作用力；

判断所述坝坡面板对上方面板的作用力是否大于指定合力；其中所述指定合力为上方面板的重力的切向分力、土体与上方面板的切向冻结力和摩擦力之和；

若所述坝坡面板对上方面板的作用力大于所述指定合力，则将位移分析结果确定为上方面板向上发生移动；

若所述面板对上方面板的作用力小于等于所述指定合力，则将位移分析结果确定为上方面板未发生移动。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，在所述将位移分析结果确定为上方面板向上发生移动的步骤后，所述方法包括：

根据所述坝坡面板对上方面板的作用力计算挤压应力；

判断所述挤压应力是否大于等于上方面板的抗压强度值；

若所述挤压应力大于等于上方面板的抗压强度值，则确定上方面板发生挤压破坏；

若所述挤压应力小于上方面板的抗压强度值，则确定上方面板未发生挤压破坏。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，所述基于所述等效附加力矩对所述坝坡面板进行抗压强度分析，得到所述坝坡面板的冻拔强度分析结果的步骤，包括：

根据所述等效附加力矩计算冻拔应力；

判断所述冻拔应力是否大于等于所述坝坡面板的抗拉强度值；

若所述冻拔应力大于等于所述坝坡面板的抗拉强度值，则将冻拔强度分析结果确定为所述坝坡面板发生冻拔强度破坏；

若所述冻拔应力小于所述坝坡面板的抗拉强度值，则将冻拔强度分析结果确定为所述坝坡面板未发生冻拔强度破坏。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述基于所述等效附加力矩，计算冻拔应力的步骤，包括：

根据所述静冰压力的法向分力计算平均法向冻胀力；

根据所述平均法向冻胀力和所述等效附加力矩计算弯矩；

根据所述弯矩和所述面板总冻拔力计算冻拔应力。

第二方面，本发明实施例还提供一种抗冻拔分析装置，其中，包括：

第一确定模块，用于对坝坡面板进行受力分析，确定所述坝坡面板所受到的静冰压力；

获取模块，用于获取冻土温度，根据所述冻土温度得到冻胀力的切向分力；

第二确定模块，用于基于所述静冰压力和所述冻胀力的切向分力确定面板总冻拔力；

计算模块，用于根据所述面板总冻拔力计算等效附加力矩；

分析模块，用于基于所述面板总冻拔力和所述等效附加力矩对所述坝坡面板进行抗冻拔分析。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例首先对坝坡面板进行受力分析，确定坝坡面板所受到的静冰压力；然后获取冻土温度，根据冻土温度得到冻胀力的切向分力；再基于静冰压力和冻胀力的切向分力确定面板总冻拔力；根据面板总冻拔力计算等效附加力矩；最后基于面板总冻拔力和等效附加力矩对坝坡面板进行抗冻拔分析。本发明实施例根据静冰压力和冻胀力计算得到面板总冻拔力和等效附加力矩，进而实现对坝坡面板的抗冻拔分析，该方法便捷且实用性强。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种抗冻拔分析方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的坝坡面板在迎水侧横断面的示意图；

图3为本发明实施例提供的坝坡面板的受力分析示意图；

图4为图1中步骤S101的流程图；

图5为图1中步骤S103的流程图；

图6为图1中步骤S105的流程图；

图7为图6中步骤S401的流程图；

图8为图6中步骤S402的流程图；

图9为本发明实施例提供的一种抗冻拔分析装置的结构图。

图标：

11-第一确定模块；12-获取模块；13-第二确定模块；14-计算模块；15-分析模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，现有技术采用有限元等数值模拟方法对均质土坝混凝土面板冻胀破坏进行研究，存在边界条件复杂、计算过程繁琐的问题，基于此，本发明实施例提供的一种抗冻拔分析方法及装置，可以根据静冰压力和冻胀力计算得到面板总冻拔力和等效附加力矩，进而实现对坝坡面板的抗冻拔分析，该方法便捷且实用性强。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种抗冻拔分析方法进行详细介绍。

实施例一：

本发明实施例提供了一种抗冻拔分析方法，参照图1，该方法可以包括：

步骤S101，对坝坡面板进行受力分析，确定坝坡面板所受到的静冰压力；

在本发明实施例中，坝坡面板可以指均质土坝混凝土面板，坝坡面板在迎水侧横断面的示意图可以参照图2，图2中的坝坡面板为矩形混凝土面板，铺设数量和尺寸均适中，在破坏前保持良好的整体性，以冰层作用处的混凝土面板为典型工况进行冻胀力学分析。沿坝长取图2冰层作用处的单位宽度(1m)坝坡面板为计算单元。坝坡面板的受力分析如图3所示，坝坡面板除了受到自身的重力G作用外，在水面线上方还受到静冰压力的法向分力P_i1和切向分力P_i2及由于土体冻结而产生的冻胀力的法向分力q和切向分力τ的作用，其中，冻胀力的法向分力可以指平均法向冻胀力。水面线以下，坝坡面板受到静水压力P_w及坝坡面板与未冻土之间的摩擦力F_f的作用。

步骤S102，获取冻土温度，根据冻土温度得到冻胀力的切向分力；

在本发明实施例中，土体冻胀力的切向分力τ的最大值为该土体的冻结力或冻结强度，当冻土温度T_s满足-15℃≤T_s<0℃时，土体的冻结力和负温之间近似为线性关系，可以采用下式计算：

τ＝c+b|T_s| (1)

式中：T_s为冻土温度，单位为℃；c和b均为与土质有关的系数，其中，壤土：c＝5，b＝1.2；粉质壤土：c＝4，b＝1；含沙重粉质壤土：c＝4，b＝6。

步骤S103，基于静冰压力和冻胀力的切向分力确定面板总冻拔力；

在本发明实施例中，面板总冻拔力可以指第一面板冻拔力与第二面板冻拔力之和，其中，第一面板冻拔力根据静冰压力计算，第二面板冻拔力根据冻胀力的切向分力计算。

步骤S104，根据面板总冻拔力计算等效附加力矩；

在本发明实施例中，面板总冻拔力向坝坡面板中心移动能产生等效附加力矩，其中，面板总冻拔力为第一面板冻拔力与第二面板冻拔力之和。第一面板冻拔力F_t1向坝坡面板中心移动产生的第一等效附加力矩为：

式中：M_t1为第一等效附加力矩，单位为kN·m，负号表示M_t1与M_t2的方向相反(这里规定力矩以顺时针为正)。

第二面板冻拔力F_t2向坝坡面板中心移动产生的第二等效附加力矩为：

式中：M_t2为第二等效附加力矩，单位为kN·m；h为坝坡面板的厚度，单位为m。

由上述两部分冻拔力向坝坡面板中心移动引起的等效附加弯矩，为第一等效附加力矩与第二等效附加力矩之和，可以采用下式计算：

式中：M_t为等效附加力矩，单位为kN·m。

步骤S105，基于面板总冻拔力和等效附加力矩对坝坡面板进行抗冻拔分析。

在本发明实施例中，本发明实施例先从寒区均质土坝混凝土面板的冰冻胀破坏入手，分析在静冰压力和冻土共同作用下坝坡面板的破坏类型，以完成对寒区均质土坝混凝土面板的抗冻拔分析。

参照图4，本发明实施例提供了一种步骤S101的具体实现过程，可以包括以下步骤：

步骤S201，基于指定条件下的水库温度、库水位固定时间计算得到冻结指数；

在本发明实施例中，冻结指数I的计算公式为：

I＝|T|×t (5)

式中：I为冻结指数，单位为℃·h，T为指定条件下的水库温度，单位为℃；t为库水位固定时间，单位为h。

步骤S202，基于冻结指数和冰的属性参数计算得到冰层厚度；

在本发明实施例中，冰的属性参数包括冰的热导率、水的结晶潜热和冰的密度，寒冷地区水库中冰层厚度的计算公式可以为：

式中：δ_i为冰层厚度，单位为m；λ_i为冰的热导率，单位为W/(m·℃)，可取2.32W/(m·℃)；Q_w为水的结晶潜热，单位为kJ/kg，可取335kJ/kg；ρ_i为冰的密度，单位为kg/m³，可取912kg/m³；I为冻结指数，单位为℃·h。

步骤S203，基于冰层厚度和预设表格计算静冰压力；其中，预设表格包含有静冰压力与冰层厚度的对应关系。

在本发明实施例中，静冰压力按照《水工建筑物抗冰冻设计规范》(GB/T 50662-2011)的方法，可以根据冰层厚度，引入作用在坝坡面板上单位长度的平均静冰压力预设表格为平均静冰压力与冰层厚度的关系，如表1所示：

表1平均静冰压力与冰层厚度的关系

从《水工建筑物抗冰冻设计规范》(GB/T 50662-2011)中可以得知，冬季水库水面的大小也会对静冰压力产生较大影响，因此，静冰压力除了与冰层厚度有关，还与水库水面的大小有关。规定表1中平均静冰压力对库面狭小的水库和库面开阔的大型平原水库应分别乘以0.87和1.25的系数。

表1中的平均静冰压力可根据内插法计算。根据表1，可以结合水库所在地区的冰层厚度，计算冰层作用在坝坡面板上的静冰压力。为了体现静冰压力沿冰层厚度方向分布的不均匀性，单位长度上的平均静冰压力的作用点位于冰面以下冰层厚度的1/3处，将平均静冰压力乘以冰层作用的长度，就可以得到该段长度上的静冰压力P_i。

参照图5，本发明实施例提供了一种步骤S103的具体实现过程，可以包括以下步骤：

步骤S301，根据静冰压力计算第一面板冻拔力；

基于静冰压力的切向分力和冰层与面板的粘结面积计算冰层升温膨胀在冰层与坝坡面板粘结处产生的切应力；

基于切应力计算得到第一面板冻拔力。

在本发明实施例中，将冰层升温膨胀在冰层与坝坡面板粘结处产生的切应力记为τ′，单位为kPa，切应力的计算公式可以为：

式中：P_i2为静冰压力的切向分力，单位为kN，A′为冰层与坝坡面板的粘结面积。

由静冰压力的切向分力P_i2引起的第一面板冻拔力按下式计算：

F_t1＝∫τ′dA′ (8)

式中：F_t1为第一面板冻拔力，单位为kN；A′为冰层与坝坡面板的粘结面积，单位为m²。

当冰层升温膨胀在冰层与坝坡面板粘结处产生的切应力τ′大于冰层与坝坡面板的切向冻结强度τ″时，冰层将与坝坡面板脱离，坝坡面板沿坝坡上滑，此时静冰压力的切向分力P_i2引起的第一面板冻拔力F_t1将不存在，因此，在进行冻拔强度分析时，F_t1应取τ′和τ″中的较小值，按下式计算：

F_t1＝∫min(τ′,τ″)dA′ (9)

式中：τ″为冰层与坝坡面板的切向冻结强度，单位为kPa，τ″的值可以采用低温试验测定。

步骤S302，根据冻胀力的切向分力计算第二面板冻拔力；

在本发明实施例中，由冻胀力的切向分力τ引起的第二面板冻拔力按下式计算：

F_t2＝∫τdA＝nL·τ (10)

式中：F_t2为第二面板冻拔力，单位为kN；τ为冻胀力的切向分力，单位为kPa；A为冻土冻胀力在切向上的分布面积，单位为m²；n为水位以上坝坡面板的斜向长度占总长度的比例；L为坝坡面板的斜向长度，单位为m。

步骤S303，根据第一面板冻拔力和第二面板冻拔力得到面板总冻拔力。

在本发明实施例中，坝坡面板受到的面板总冻拔力主要有两部分组成，一部分是由冰层升温膨胀产生的静冰压力的切向分力P_i2引起的，另一部分是由冻胀力的切向分力τ引起的。根据上述分析，坝坡面板在冰层与冻土共同作用下受到的面板总冻拔力为

F_t＝F_t1+F_t2 (11)

式中：F_t为面板总冻拔力，单位为kN。

当按式(11)计算F_t1时，即认为冰层与坝坡面板粘结较好，此时，第一面板冻拔力F_t1就等于静冰压力的切向分力P_i2，即

F_t1＝P_i2 (12)

在本发明实施例中，步骤S105，参照图6，可以包括：

步骤S401，基于面板总冻拔力对坝坡面板进行抗拔移分析，得到坝坡面板的位移分析结果；

在本发明实施例中，抗拔移分析是指在面板总冻拔力的作用下，验算坝坡面板是否沿着面板总冻拔力的方向产生移动，得到坝坡面板的位移分析结果。

步骤S402，基于等效附加力矩对坝坡面板进行抗压强度分析，得到坝坡面板的冻拔强度分析结果。

参照图7，本发明实施例提供了一种步骤S401的具体实现过程，可以包括以下步骤：

步骤S501，基于坝坡面板与未冻土之间的静摩擦力，利用抗冻拔力公式计算坝坡面板的参照抗冻拔力；

在本发明实施例中，坝坡面板与未冻土之间的静摩擦力为F_f，坝坡面板的参照抗冻拔力可以按下式计算：

F_t′＝F_f+Gsinα (13)

式中：F_t′为坝坡面板的参照抗冻拔力，单位为kN；F_f对坝坡面板与未冻土之间的静摩擦力，单位为kN；G为坝坡面板自身的重力，单位为kN；α为坝坡面板与水平面的夹角，单位为度。

步骤S502，判断面板总冻拔力是否大于参照抗冻拔力；

步骤S503，若面板总冻拔力大于参照抗冻拔力，则坝坡面板沿着面板总冻拔力的方向产生整体移动，产生坝坡面板对上方面板的作用力；

在本发明实施例中，若面板总冻拔力大于参照抗冻拔力，即F_t≥F_t′，则坝坡面板将沿面板总冻拔力的方向产生一个微小的整体移动，坝坡面板在移动之后挤压接缝处的橡胶止水与上方面板接触，对上方面板产生的作用力为：

F_t″＝F_t-F_t′ (14)

式中：F_t″为坝坡面板对上方面板的作用力，单位为kN。

步骤S504，判断坝坡面板对上方面板的作用力是否大于指定合力；其中指定合力为上方面板的重力的切向分力、土体与上方面板的切向冻结力和摩擦力之和；

步骤S505，若坝坡面板对上方面板的作用力大于指定合力，则将位移分析结果确定为上方面板向上发生移动；

步骤S506，若面板对上方面板的作用力小于等于指定合力，则将位移分析结果确定为上方面板未发生移动。

在本发明实施例中，指定合力为上方面板的重力的切向分力、土体与上方面板的切向冻结力和摩擦力之和，如果坝坡面板对上方面板的作用力F_t″大于指定合力，则上方混凝土面板也将整体向上发生移动，反之，则不会发生移动。

参照图7，在步骤S401之后，还可以包括以下步骤：

步骤S507，根据坝坡面板对上方面板的作用力计算挤压应力；

在本发明实施例中，对于寒区水库，一般情况下会在最上边一块坝坡面板的顶部设计钢筋混凝土挡墙以防止坝坡面板和上方面板被整体拔移较大的距离。在钢筋混凝土挡墙的约束下，坝坡面板只发生一段微小的位移即停止向上运动，此时需对上方面板的抗压强度进行分析，可以采用以下公式计算挤压应力σ_c：

式中：σ_c为坝坡面板对上方面板的挤压应力，单位为kPa；A_c为单位宽度坝坡面板的横截面面积，单位为m²。

步骤S508，判断挤压应力是否大于等于上方面板的抗压强度值；

步骤S509，若挤压应力大于等于上方面板的抗压强度值，则确定上方面板发生挤压破坏；

步骤S510，若挤压应力小于上方面板的抗压强度值，则确定上方面板未发生挤压破坏。

在本发明实施例中，若挤压应力大于等于上方面板的抗压强度值，即σ_c≥f_c，则上方面板发生挤压破坏；若挤压应力小于上方面板的抗压强度值，即σ_c<f_c，则上方面板未发生挤压破坏。

参照图8，面板总冻拔力F_t除了对坝坡面板产生整体拔移的可能性外，还有可能将坝坡面板拔断，因此，需要对坝坡面板进行抗压强度分析。步骤S402，可以包括以下步骤：

步骤S601，根据等效附加力矩计算冻拔应力；

具体而言，冻拔应力的具体计算过程可参照以下步骤：

首先，根据静冰压力的法向分力计算平均法向冻胀力；

在本发明实施例中，冻土对面板产生的冻胀力可以分解成冻胀力的法向分力q和切向分力τ，在计算冻胀力的法向分力q时，将冻胀力的法向分力q视为平均法向冻胀力，即冻胀力的法向分力q沿水面线以上至冰层作用处的面板顶部均匀分布，然后在力学分析过程中通过力矩平衡方程计算得到法向冻胀力q。对坝坡面板O″点列力矩平衡方程，得到平均法向冻胀力q：

式中：q为平均法向冻胀力，单位为kPa；P_i1为静冰压力的法向分力，单位为kN；P_w为静水压力，单位为kN；m为静冰压力作用点以上面板斜向长度占总长度的比例。

然后，根据平均法向冻胀力和等效附加力矩计算弯矩；

在本发明实施例中，当坝坡面板受到面板总冻拔力作用时，最容易被拔断的截面位于库水位线附近，且作用在库水位线附近的冻拔力是最大的，可以由式(11)计算。另外在坝坡面板各截面的弯矩可以通过自上而下截取各段面板上的内力分析得到，从而知道坝坡面板在冻结锋面处的弯矩最大，其中，冻结锋面处可以指冰层作用处。这也是坝坡面板经常在库水位附近产生冻胀破坏导致裂缝的原因。因此，坝坡面板在冻结锋面处的弯矩为：

式中：M_t′为冰层作用处坝坡面板上的最大弯矩，单位为kN·m；q为平均法向冻胀力，单位为kPa。

最后，根据弯矩和面板总冻拔力计算冻拔应力。

在本发明实施例中，坝坡面板在冰层作用处受冻拔产生冻拔应力，坝坡面板受冻拔产生的最大冻拔应力可以根据下式计算：

式中：σ_max为坝坡面板受冻拔产生的最大冻拔应力，单位为kPa；W为单位宽度坝坡面板的抗弯截面系数，单位为m³。

步骤S602，判断冻拔应力是否大于等于坝坡面板的抗拉强度值；

步骤S603，若冻拔应力大于等于坝坡面板的抗拉强度值，则将冻拔强度分析结果确定为坝坡面板发生冻拔强度破坏；

步骤S604，若冻拔应力小于坝坡面板的抗拉强度值，则将冻拔强度分析结果确定为坝坡面板未发生冻拔强度破坏。

在本发明实施例中，将经式(18)计算得到的最大冻拔应力σ_max与坝坡面板的抗拉强度值f_t进行比较，即可判断坝坡面板的抗冻拔强度是否满足要求。当坝坡面板在冰层作用处受冻拔产生的最大冻拔应力σ_max小于坝坡面板的抗拉强度值f_t时，即σ_max<f_t，坝坡面板满足抗冻拔强度要求，坝坡面板未发生冻拔强度破坏；当坝坡面板在冰层作用处受冻拔产生的最大冻拔应力σ_max大于等于坝坡面板的抗拉强度值f_t时，即σ_max≥f_t，坝坡面板将受到冻拔强度破坏。

在寒区坝坡面板的设计过程中，当坝坡面板不能满足抗冻拔强度要求时，一般通过提高坝坡面板的抗拉强度值f_t是十分困难的，由式(18)可以得知，通过增加坝坡面板的厚度，来增加坝坡面板的横截面面积A_c和抗弯截面系数W，从而起到降低最大冻拔应力σ_max的作用，但是当最大冻拔应力σ_max远远大于坝坡面板的抗拉强度值f_t时，仅通过增加坝坡面板的厚度还不够，这时可以通过对坝坡面板进行局部配筋来满足其抗冻拔强度要求。

示例性的，以新疆某大型平原水库为例，坝坡面板为均质土坝混凝土面板，对均质土坝混凝土面板进行抗冻拔分析。该坝设计库容1.02亿方，库水面约24平方公里，最大坝高18.9m，坝长8.5公里，坝坡为1:2，混凝土面板长L＝3m，宽b＝3m，厚度h＝0.2m，混凝土强度等级为C25，轴心抗压强度值f_c＝16700kPa，轴心抗拉强度值f_t＝1780kPa，在坡面顶修建有钢筋混凝土挡墙。冬季最冷月为1月份，多年平均气温为-15℃，在此期间水位基本保持不变，库水位线在坝体上方第3排混凝土面板处，距离第2排面板底部的斜向距离为1.2m，冻土层为粉质壤土，土体温度为-10℃，冻土层的最大深度H＝1.6m。当环境温度为-15℃时，冰与混凝土面板的冻结强度τ″＝550kPa，未冻土与混凝土面板的摩擦系数为0.37。下面通过应用上述力学模型分析该混凝土面板能否满足抗冻拔要求。

(1)计算静冰压力。由公式(5)和(6)计算得冰层厚度δ_i＝0.41m。2018年1月在同地区实际观测的几个水库冰厚在0.38～0.45m之间，与计算值基本一致。由于该水库为大型平原水库，库面开阔，根据表1，通过内插法并乘以1.25的系数，计算可得P_i＝112.50kN/m，则单位宽度混凝土面板在水平方向受到的静冰压力P_i＝112.50kN，对静冰压力进行分解，可以得到：静冰压力的法向分力P_i1＝50.31kN，静冰压力的切向分力P_i2＝100.62kN。

(2)计算面板总冻拔力。由于冻土层为粉质壤土，冻土温度为-10℃，根据式(1)计算得到冻胀力的切向分力τ＝14kPa。由于H＝1.6m，nL＝1.2m，根据式(10)计算得到由冻土引起的第二面板冻拔力F_t2＝16.80kN。冰层与坝坡面板的粘结面积A′＝0.92m²，根据式(7)计算得τ′＝109.31kPa，当环境温度为-15℃时，冰层与坝坡面板的冻结强度τ″＝550kPa，τ′＝109.31kPa<τ″＝550kPa，因此，冰层与坝坡面板冻结良好，则根据式(12)计算得由冰层引起的第一面板冻拔力F_t1＝100.62kN，根据式(11)计算由冰层和冻土共同引起的面板总冻拔力F_t＝117.42kN。

(3)计算坝坡面板的参照抗冻拔力。单位宽度混凝土面板的重量G＝14.11kN，坡角α＝26.57°，静水压力P_w＝7.10kN。未冻土与混凝土面板的摩擦系数为0.37，则根据式(13)计算坝坡面板的参照抗冻拔力F_t′＝26.11kN。

(4)抗拔移分析。由于F_t＝117.42kN>F_t′＝26.11kN，坝体面板会整体产生一段沿面板总冻拔力方向的微小位移，挤压上方的混凝土面板，由于有坡顶钢筋混凝土挡墙的约束作用，上方的混凝土面板会发生一段微小位移后停止，根据式(14)，冰层所在面板对上方面板的作用力F_t″＝91.31kN，根据式(15)计算挤压应力σ_c＝456.55kPa，由于面板混凝土的轴心抗压强度值f_c＝16700kPa，σ_c＝456.55kPa<f_c＝16700kPa，因此，混凝土面板不会发生挤压破坏。

(5)计算冻土平均法向冻胀力。根据式(16)，带入上述数据，计算得冻土的平均法向冻胀力q＝54.03kPa。

(6)抗压强度分析。根据式(2)，式(3)，式(4)，式(16)和式(17)计算混凝土面板在冰层作用处的最大弯矩M_t′＝30.52kN·m。单位宽度混凝土面板的截面面积A_c＝0.2m²，抗弯截面系数W＝0.0067m³，根据式(18)计算得到混凝土面板的最大冻拔应力σ_max＝5164.93kPa。由于σ_max＝5164.93kPa>f_t＝1780kPa，因此，混凝土面板会发生冻拔强度破坏，冻拔破坏产生的裂缝位于库水面线附近。

实施例二：

用于实现上述实施例中的抗冻拔分析方法，参照图9，本发明实施例提供了一种抗冻拔分析装置，包括：

第一确定模块11，用于对坝坡面板进行受力分析，确定所述坝坡面板所受到的静冰压力；

获取模块12，用于获取冻土温度，根据所述冻土温度得到冻胀力的切向分力；

第二确定模块13，用于基于所述静冰压力和所述冻胀力的切向分力确定面板总冻拔力；

计算模块14，用于根据所述面板总冻拔力计算等效附加力矩；

分析模块15，用于基于所述面板总冻拔力和所述等效附加力矩对所述坝坡面板进行抗冻拔分析。

本发明实施例首先对坝坡面板进行受力分析，确定坝坡面板所受到的静冰压力；然后获取冻土温度，根据冻土温度得到冻胀力的切向分力；再基于静冰压力和冻胀力的切向分力确定面板总冻拔力；根据面板总冻拔力计算等效附加力矩；最后基于面板总冻拔力和等效附加力矩对坝坡面板进行抗冻拔分析。本发明实施例根据静冰压力和冻胀力计算得到面板总冻拔力和等效附加力矩，进而实现对坝坡面板的抗冻拔分析，该方法便捷且实用性强。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

本发明实施例所提供的抗冻拔分析方法的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种抗冻拔分析方法，其特征在于，包括：

对坝坡面板进行受力分析，确定所述坝坡面板所受到的静冰压力；

获取冻土温度，根据所述冻土温度得到冻胀力的切向分力；

基于所述静冰压力和所述冻胀力的切向分力确定面板总冻拔力；

根据所述面板总冻拔力计算等效附加力矩；

基于所述面板总冻拔力和所述等效附加力矩对所述坝坡面板进行抗冻拔分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对坝坡面板进行受力分析，确定所述坝坡面板所受到的静冰压力的步骤，包括：

基于指定条件下的水库温度、库水位固定时间计算得到冻结指数；

基于所述冻结指数和冰的属性参数计算得到冰层厚度；

基于所述冰层厚度和预设表格计算静冰压力；其中，预设表格包含有静冰压力与冰层厚度的对应关系。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述静冰压力和所述冻胀力的切向分力确定面板总冻拔力的步骤，包括：

根据所述静冰压力计算第一面板冻拔力；

根据所述冻胀力的切向分力计算第二面板冻拔力；

根据所述第一面板冻拔力和所述第二面板冻拔力得到面板总冻拔力。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述静冰压力计算第一面板冻拔力的步骤，包括：

基于所述静冰压力的切向分力和冰层与面板的粘结面积计算冰层升温膨胀在冰层与坝坡面板粘结处产生的切应力；

基于所述切应力计算得到第一面板冻拔力。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述面板总冻拔力和所述等效附加力矩对所述坝坡面板进行抗冻拔分析的步骤，包括：

基于所述面板总冻拔力对所述坝坡面板进行抗拔移分析，得到所述坝坡面板的位移分析结果；

基于所述等效附加力矩对所述坝坡面板进行抗压强度分析，得到所述坝坡面板的冻拔强度分析结果。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述面板总冻拔力对所述坝坡面板进行抗拔移分析，得到所述坝坡面板的位移分析结果的步骤，包括：

基于所述坝坡面板与未冻土之间的静摩擦力，利用抗冻拔力公式计算坝坡面板的参照抗冻拔力；

判断所述面板总冻拔力是否大于所述参照抗冻拔力；

若所述面板总冻拔力大于所述参照抗冻拔力，则坝坡面板沿着所述面板总冻拔力的方向产生整体移动，产生坝坡面板对上方面板的作用力；

判断所述坝坡面板对上方面板的作用力是否大于指定合力；其中所述指定合力为上方面板的重力的切向分力、土体与上方面板的切向冻结力和摩擦力之和；

若所述坝坡面板对上方面板的作用力大于所述指定合力，则将位移分析结果确定为上方面板向上发生移动；

若所述面板对上方面板的作用力小于等于所述指定合力，则将位移分析结果确定为上方面板未发生移动。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述将位移分析结果确定为上方面板向上发生移动的步骤后，所述方法包括：

根据所述坝坡面板对上方面板的作用力计算挤压应力；

判断所述挤压应力是否大于等于上方面板的抗压强度值；

若所述挤压应力大于等于上方面板的抗压强度值，则确定上方面板发生挤压破坏；

若所述挤压应力小于上方面板的抗压强度值，则确定上方面板未发生挤压破坏。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述等效附加力矩对所述坝坡面板进行抗压强度分析，得到所述坝坡面板的冻拔强度分析结果的步骤，包括：

根据所述等效附加力矩计算冻拔应力；

判断所述冻拔应力是否大于等于所述坝坡面板的抗拉强度值；

若所述冻拔应力大于等于所述坝坡面板的抗拉强度值，则将冻拔强度分析结果确定为所述坝坡面板发生冻拔强度破坏；

若所述冻拔应力小于所述坝坡面板的抗拉强度值，则将冻拔强度分析结果确定为所述坝坡面板未发生冻拔强度破坏。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述基于所述等效附加力矩，计算冻拔应力的步骤，包括：

根据所述静冰压力的法向分力计算平均法向冻胀力；

根据所述平均法向冻胀力和所述等效附加力矩计算弯矩；

根据所述弯矩和所述面板总冻拔力计算冻拔应力。

10.一种抗冻拔分析装置，其特征在于，包括：

第一确定模块，用于对坝坡面板进行受力分析，确定所述坝坡面板所受到的静冰压力；

获取模块，用于获取冻土温度，根据所述冻土温度得到冻胀力的切向分力；

第二确定模块，用于基于所述静冰压力和所述冻胀力的切向分力确定面板总冻拔力；

计算模块，用于根据所述面板总冻拔力计算等效附加力矩；

分析模块，用于基于所述面板总冻拔力和所述等效附加力矩对所述坝坡面板进行抗冻拔分析。