冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法

摘要

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。

权利要求

1.一种冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法，对于无水平缝的渠边坡混凝土衬砌层，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；

通过应用所述力学模型在考虑渠内各水位下渠基土冻胀作用的两种效果下进行边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算：第一种情况为边坡混凝土衬砌层在水位面以下部位的上表面受到水压力的作用，在水位面以上部位的下表面受冻胀力的作用；

第二种情况为边坡混凝土衬砌层仅在渠内水位面以下部位的上表面有水压力的作用；

其特征在于：

若水位面以上部位的边坡混凝土衬砌层能够约束冻结的渠基土膨胀变位，则渠基土对边坡混凝土衬砌层的切向冻胀力和法向冻胀力均是以渠水位面处的值为零、渠顶坡处为最大值的线性分布；

若水位面以上部位的边坡混凝土衬砌层不能够约束冻结的渠基土膨胀变位，则渠基土无冻胀力作用于边坡混凝土衬砌层，仅使边坡混凝土衬砌层向渠内发生角位移，衬砌层局部范围的下表面与其下土体分离；

渠堤土对边坡混凝土衬砌层的冻胀力是以沿坡面指向坡顶的切向冻胀应力和方向与坡面内法线方向一致的法向冻胀应力的形式作用于渠内水位面以上部位衬砌层的下表面；

或边坡混凝土衬砌层不受冻胀力的作用。

说明书

冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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

[0005] 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。

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 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。

[0009] 当冻结土体能够约束边坡混凝土衬砌层的变位时，即两者冻结为一体，换言之，边坡混凝土衬砌层与冻结土体未分离，此时，坡脚处为铰支座、水位面处为活动铰支座的边坡混凝土衬砌层除了受到水压力和自重外，冻胀区内还受有方向与坡面内法线方向一致的法向冻胀力和指向坡顶的切向冻胀力，两者均为三角形分布，坡顶处为最大值。

[0010] 若冻结土体不能约束边坡混凝土板的变位时，即两者分离，坡脚处为铰支座、水位面处为活动铰支座的边坡混凝土衬砌层仅受水压力和自重，此时边坡混凝土衬砌层为一受弯构件。

[0011] 边坡混凝土衬砌层在上述两种情况下都要有足够的厚度，以免发生强度破坏，保证渠道安全正常运行。

[0012] 基于上述，本发明采用了如下的技术方案：

[0013] 一种冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法，对于无水平缝的渠边坡混凝土衬砌层，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。

[0014] 所述的冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法，通过应用所述力学模型在考虑渠内各水位下渠基土冻胀作用的两种效果下进行边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算：

[0015] 第一种情况为边坡混凝土衬砌层在水位面以下部位的上表面受到水压力的作用，在水位面以上部位的下表面受冻胀力的作用；

[0016] 第二种情况为边坡混凝土衬砌层仅在渠内水位面以下部位的上表面有水压力的作用。

[0017] 所述的冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法，若水位面以上部位的边坡混凝土衬砌层能够约束冻结的渠基土膨胀变位，则渠基土对边坡混凝土衬砌层的切向冻胀力和法向冻胀力均是以渠水位面处的值为零、渠顶坡处为最大值的线性分布；

[0018] 若水位面以上部位的边坡混凝土衬砌层不能够约束冻结的渠基土膨胀变位，则渠基土无冻胀力作用于边坡混凝土衬砌层，仅使边坡混凝土衬砌层向渠内发生角位移，衬砌层局部范围的下表面与其下土体分离。

[0019] 所述的冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法，渠基土对边坡混凝土衬砌层的冻胀力是以沿坡面指向坡顶的切向冻胀应力和方向与坡面内法线方向一致的法向冻胀应力的形式作用于渠内水位面以上部位衬砌层的下表面。

[0020] 本发明产生的有益效果：

[0021] 1、本发明冬季输水渠边坡混凝土衬砌层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，建立了冬季输水渠道边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算的力学模型，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。

[0022] 2、本发明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。

附图说明

[0023] 图1：冬季输水渠道边坡混凝土衬砌层冻胀时变位图；

[0024] 图中， 渠堤土为正温，即该区域内土体未冻结， 渠堤土为负温，即该区域内土体已冻结，1渠基土冻胀实际表面线；2渠基土未冻胀表面线；3 冻结前锋线；4 未冻胀前衬砌层位置；5渠水位；6 冻胀后衬砌层位置；

[0025] 图2：冬季输水渠道冻土和衬砌层未分离时边坡混凝土衬砌层受力图；

[0026] 图3：冬季输水渠道冻土和衬砌层分离时边坡混凝土衬砌层受力图；

[0027] 图中，q为法向冻胀力；τ为切向冻胀力；G为均匀分布的混凝土衬砌层自重的合力值；pw为坡脚处水压力强度；α为板与水平面间的夹角；A为活动铰支座；B为固定铰支座。

具体实施方式

[0028] 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。

[0029] 实施例1

[0030] 本发明提出了冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法，对于无水平缝的渠边坡混凝土衬砌层，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。

[0031] 实施例2

[0032] 本实施例所述的冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法，其与实施例1的不同之处在于：建立实施例1所需的力学模型以便进行混凝土衬砌层的抗冻胀破坏验算，

[0033] 当边坡混凝土衬砌层能够约束渠基土冻胀变形，两者变形协调，边坡混凝土衬砌层与冻土之间冻结为一体，此时冻胀力是以方向与坡面内法线方向一致的法向冻胀力和指向坡顶的切向冻胀力的形式仅在水位面以上区域内作用于边坡混凝土衬砌层，且两者均是以渠水位面处的值为零、渠顶坡处为最大值的线性分布；即为第一种情况，边坡混凝土衬砌层的力学模型为在计水位面以下部位的上表面受到水压力的作用，在水位面以上部位的下表面受冻胀力作用的拉弯构件。

[0034] 当边坡混凝土衬砌层不能约束渠基土的冻胀变形、两者不协调，换言之，两者分离时，冻结区域内的冻土对混凝土衬砌层无冻胀力的作用，即为第二种情况，边坡混凝土衬砌层的力学模型为仅在渠内水位面以下部位的上表面有水压力作用的受弯构件。

[0035] 通过应用所述力学模型在考虑渠内各水位下渠基土冻胀作用的两种效果下进行边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算。

[0036] 本发明所述的冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法，渠堤土对边坡混凝土衬砌层的冻胀力是以沿坡面指向坡顶的切向冻胀应力和方向与坡面内法线方向一致的法向冻胀应力的形式作用于渠内水位面以上部位衬砌层的下表面，或边坡混凝土衬砌层不受冻胀力的作用。

[0037] 实施例3

[0038] 本实施例以实际情况为例，具体阐述了本发明冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法在输水渠工程中的指导性应用：

[0039] 冬季过水的混凝土强度等级为C20的衬砌防渗渠道，渠深 =4.5m，渠内水深 =3.5m，边坡系数 =1.5,边坡衬砌层厚度为0.2m，切向冻胀应力（三角形分布）  kPa，砼和水的容重分别 法向冻胀应力p最大值为 kPa，验
算边坡混凝土衬砌层抗冻胀能力是否满足要求。

[0040] 第一种情况：参见图2，

[0041] 1）根据边坡混凝土衬砌层的力和力矩平衡得渠水位面处活动铰支座反力和渠底固定铰支座反力分别为

[0042] kN

[0043] N

[0044] N,所以未被拔出；当 为负，即指向坡底端，且绝对值不超过板下未冻土给衬砌层的摩阻力时，衬砌层不被拔出。

[0045] 2）衬砌层的最大轴力值

[0046] N距坡顶1.784m，即水位面处

[0047] 3）衬砌层的最大弯矩值

[0048]

[0049] 4）衬砌层的横截面面积和截面抵抗矩

[0050] 横截面面积  m2

[0051] 横截面抵抗矩 

[0052] 5）最大拉应力值

[0053] 则最大拉应力 MPa>> 1.10MPa

[0054] 边坡混凝土衬砌层无法抵抗冻胀力的破坏作用，即抗冻胀破坏能力不足。

[0055] 第二种情况：参见图3，

[0056] 1）根据边坡混凝土衬砌层的力和力矩的平衡得到渠水位面处活动铰支座反力和渠底固定铰支座反力分别为

[0057] N

[0058] N

[0059] N即指向坡底，若该值不超过板下未冻土给衬砌层的摩阻力时，渠道底板不受边坡板的影响。

[0060] 2）衬砌层的最大轴力值

[0061] N在坡底端处

[0062] 3）衬砌层的最大弯矩值

[0063] 4）衬砌层的横截面面积和截面抵抗矩

[0064] 横截面面积  m2

[0065] 横截面抵抗矩 

[0066] 5）最大拉应力值

[0067] 则 MPa>> 1.10MPa

[0068] 边坡混凝土衬砌层不能抵抗冻胀力的破坏作用。

[0069] 所以该渠边坡混凝土衬砌层厚度为0.2米时，不能满足抗冻要求。