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冻土水热力三场耦合的衬砌渠道冻胀数值模拟研究

作　者: 王文杰
导　师: 王正中
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 渠道冻胀相变水热力耦合模型换填法数值模拟
分类号: TV698.26
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

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。以往基于冻土三场耦合理论的渠道冻胀研究，仅将砼衬砌简化为荷载施加于渠基土上，没有考虑衬砌结构与渠基冻土的相互作用，而考虑冻土与衬砌相互作用的渠道衬砌冻胀破坏研究没有考虑三场耦合作用。这不仅无法求出作用在衬砌结构上的各种冻胀力及冻结力，也无法反映衬砌结构约束反力及基土冻结三场耦合过程的影响。同时现有的三场耦合模型大多以自编程序实现，鲜有提出适合通用有限元软件的三场耦合求解格式，使得考虑三场耦合理论的渠道冻胀研究难以推广和应用。因此，有必要建立适合通用有限元平台的基于水热力三场耦合砼衬砌渠道冻胀破坏模型，为北方旱寒地区衬砌渠道冻害防治提供科学依据。本文根据冻土物理学、冻土力学、土壤水动力学理论，较系统地进行了砼衬砌渠道水热力三场耦合理论探讨；结合多物理场有限元软件，对冻土三场耦合模型进行深入研究及完善，进一步提出考虑与渠道衬砌结构相互作用的渠道冻胀三场耦合模型。其主要内容如下：（1）基于刚性冰假定和未冻水的不可压缩假定，推导了以Harlan水热耦合模型为基础的冻土水热力耦合模型。（2）为了便于冻土水热力耦合模型求解，应用三次幂Heaviside阶梯函数代替分段函数，有效实现了冻土的冻结锋面前后热力学、水动力学参数的光滑、连续过渡，不但提高求解精度，而且缓解求解相变问题对网格的高要求；通过克拉佩龙方程和Z函数，推导未冻土区、冻结相变剧烈区、冻土区土水势的统一表达式，为顺利在通用有限元平台实现水热力三场耦合提供技术基础。针对所建立的相变温度场模型、水热耦合模型、水热力耦合模型，采用有限元方法进行数值模拟，并将其计算结果与已有试验实测成果进行对比验证。（3）应用本文建立的三场耦合模型对甘肃省靖会总干的砼衬砌渠道进行冻胀数值模拟研究，并与不考虑水分迁移的热力耦合分析进行对比，揭示了水分迁移影响下衬砌渠道冻胀受力及变形规律，为准确分析衬砌渠道冻胀破坏规律提供科学依据。（4）鉴于目前对渠基土换填这种常用的防冻胀措施只有试验研究及经验性成果的现状，由于粗粒土表面能低、水分迁移现象微弱，对渠基土没有换填的部分采用三场耦合模型进行分析，换填部分采用带相变的温度场与应力场的耦合模型分析，利用有限元软件对此措施进行不同换填深度的数值模拟，数值模拟了防冻胀机理，可为渠道常用抗冻胀措施提供科学依据。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-20
  1.1 研究背景  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-16
    1.2.1 冻土的三场耦合理论  12-13
    1.2.2 冻土的力学特性与本构研究  13-14
    1.2.3 渠道冻胀破坏及抗冻胀研究  14-16
  1.3 本文的主要研究内容及技术路线  16-20
    1.3.1 研究的主要内容  16-17
    1.3.2 研究思路及技术路线  17-18
    1.3.3 创新点  18-20
第二章冻土水热力耦合理论与模型  20-30
  2.1 冻土相变温度场特征及基本方程  20-21
    2.1.1 相变温度场  20
    2.1.2 冻土相变温度场基本方程  20-21
  2.2 冻土水分迁移及基本方程  21-25
    2.2.1 土体的冻胀与水分迁移  21
    2.2.2 影响水分迁移的主要因素  21-23
    2.2.3 水分迁移的原动力理论及土水势  23-25
    2.2.5 冻土水分场基本方程  25
  2.3 冻土水热力三场耦合关系  25-28
    2.3.1 温度对冻土应力的影响  25-26
    2.3.2 水分对冻土应力的影响  26-27
    2.3.3 冻土应力场基本方程  27-28
  2.4 冻土水热力三场耦合的数学模型  28-29
    2.4.1 基本假定  28
    2.4.2 温度场基本方程  28
    2.4.3 水分场基本方程  28-29
    2.4.4 应力场基本方程  29
  2.5 本章小结  29-30
第三章冻土水热力耦合模型简化及求解  30-44
  3.1 冻土水热力三场耦合模型的简化  30-33
    3.1.1 Heaviside 阶梯函数  30-32
    3.1.2 土水势  32
    3.1.3 Z 函数  32-33
  3.2 渠道冻胀数值模拟流程图  33-34
  3.3 数值模拟  34-42
    3.3.1 瞬态相变温度场与无相变温度场的对比  34-37
    3.3.2 土柱的水热耦合数值模拟  37-40
    3.3.3 土柱的水热力耦合数值模拟  40-42
  3.4 本章小结  42-44
第四章砼衬砌渠道冻胀水热力耦合数值模拟研究  44-51
  4.1 渠道概况  44-45
  4.2 有限元模型及参数选取  45-46
  4.3 计算结果分析  46-49
    4.3.1 温度场  46
    4.3.2 水分场  46-48
    4.3.3 位移场  48
    4.3.4 应力场  48-49
  4.4 本章小结  49-51
第五章砼衬砌渠道换填防冻胀措施数值模拟研究  51-60
  5.1 工程概况  51-52
  5.2 有限元模型及参数选取  52-54
    5.2.1 有限元模型  52-53
    5.2.2 边界条件及初始条件  53
    5.2.3 土层计算参数  53-54
  5.3 计算结果分析  54-59
    5.3.1 温度场分析  54-56
    5.3.2 冻胀量分析  56-59
  5.4 本章小结  59-60
第六章结论  60-63
  6.1 结论  60-61
  6.2 展望  61-63
参考文献  63-67
致谢  67-68
作者简介  68

冻土水热力三场耦合的衬砌渠道冻胀数值模拟研究

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