[发明专利]冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法

说明书

本发明涉及一种冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法，应用于明渠输水渠道的设计中，进行渠基土冻胀作用下边坡混凝土衬砌层的受力分析。一种冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法，将渠边坡的混凝土衬砌层视作坡脚处为固定铰支座、水位面处为活动铰支座的构件，建立渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算的力学模型，按构件的横向弯曲作用或/和拉弯组合作用产生的应力与混凝土的轴心抗拉强度比较来判断边坡混凝土衬砌层能否抵抗冻胀作用产生的破坏。本发明抗冻胀破坏验算方法，考虑了渠坡双向冻结及混凝土衬砌层与渠基土变形相互作用影响，弥补了目前季节冻土区混凝土渠道冬季输水情况下边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏能力验算方法存在的不足。

技术领域

本发明涉及一种冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法，应用于明渠输水渠道的设计中，进行渠基土冻胀作用下边坡混凝土衬砌层的受力分析。

背景技术

梯形混凝土衬砌渠道因其施工方便、维护修复简单和工程耐久性强的优点而被广泛地应用输水工程中以达到提高明渠输水效率、增强渠道的防冲能力和改善水流条件的目的。渠道的边坡混凝土衬砌层斜长是依据水力学条件来确定，衬砌层的厚度依据经验而定。这种方法对于非寒区的混凝土衬砌渠道是适用的；而对寒区的混凝土衬砌渠道，既使考虑冻胀作用的影响而特意加大了衬砌层厚度，但也会因渠基土的不均匀冻结膨胀变位致使衬砌层产生裂缝、隆起和滑塌等破坏现象。这严重影响了工程效益的直接发挥。

目前，对于冬季不过水的渠道混凝土衬砌层的厚度确定已有相应的方法，即对被视为整体或板间铰接的混凝土衬砌层进行的受力分析，据此进行衬砌层强度验算，该方法中混凝土衬砌层下的法向冻胀力方向为坡面的外法线方向，而切向冻胀力是指向坡脚的，与冬季输水渠道边坡衬砌层的冻胀力作用形式和范围有根本不同，完全不能用于冬季输水渠道的混凝土衬砌层的强度验算。

冬季输水渠道边坡混凝土衬砌层的抗冻胀力的验算方法才见报道，已报道方法所采用的力学模型为：边坡混凝土衬砌层下受指向坡顶的切向冻胀力和方向与坡面外法线方向一致的法向冻胀力，两者都为均匀分布。该力学模型中没有考虑到输水渠边坡双向冻结及混凝土衬砌层与渠基土变形相互作用的影响。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提出一种用于冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法。在考虑渠坡双向冻结、衬砌层与渠基土变形协调等影响情况下建立抗冻胀破坏能力验算的力学模型，以更贴近实际的力学模型进行抗冻胀破坏验算，以确保衬砌层具有足够厚度，保证渠道的安全可靠的运行，最大程度地发挥工程效益。

冬季，渠中水位面以下的边坡混凝土衬砌层和其下土体因受渠道中温度为０℃以上的渠水保护，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；而水位面以上的边坡混凝土衬砌层暴露在大气中，在大气负温的作用下，水位面以上部位的混凝土衬砌层下的含水土层冻结膨胀，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，致使边坡混凝土衬砌层为一拉弯的构件。

渠堤下层土体不冻结而上层土体的冻结膨胀作用使边坡衬砌层绕坡脚有角位移，水位面下的衬砌层与渠基土局部分离，水位面以上渠基土属于双向冻结，且冻胀是垂直于冻结锋面的，所以边坡衬砌层下土体各点的垂直于衬砌层面的法向冻胀量是不等的，水位面附近的法向冻胀量（最大）大于坡顶处的，但角位移后的混凝土衬砌层下表面仍保持平面，即在水位面处的法向位移（最小）较坡顶处的小，参见图1。这样，渠基土冻结段内的边坡衬砌层与其下土体变位不协调，两者要分离，而最初冻结为一体的渠基土和混凝土衬砌层之间就产生了相互的约束，边坡混凝土衬砌层受到了冻结土体作用的、方向与坡面内法线方向一致的法向冻胀力。冻胀部位混凝土衬砌层的法向位移与渠堤土的法向冻胀量之差在水位面为零、坡顶处最大，因而坡顶的法向冻胀力最大。

沿坡面指向坡顶方向的切向冻胀位移与法向冻胀位移相类似，坡顶的切向冻胀位移大于水位面处的，混凝土衬砌层受到指向坡顶的切向冻胀力在水位面处较坡顶处小。