本發(fā)明涉及一種針對混凝土梯形渠道冬季低水位運(yùn)行時襯砌層的抗凍脹破壞驗(yàn)算方法，具體應(yīng)用于季節(jié)凍土區(qū)的、上游無水庫調(diào)節(jié)的引水式電站的引水渠道的設(shè)計之中。

背景技術(shù)：

在長線輸水工程中，我國廣泛采用的是具有增強(qiáng)渠道的防沖能力、改善水流條件、減少滲漏損失的混凝土防滲渠。但是，在寒區(qū)的混凝土襯砌渠道，因渠基土的不均勻凍脹變位而產(chǎn)生裂縫、隆起和滑塌等破壞現(xiàn)象。使混凝土渠道的防滲功能失效，渠水滲漏致使含水量的增加，使襯砌層凍脹破壞程度加大，惡性循環(huán)，最終不得不重建渠道，造成人力物力的大量消耗。

目前，對冬季輸水的混凝土渠道邊坡板的抗凍脹破壞驗(yàn)算方法已有報道，即渠內(nèi)水面線以上的邊坡板下作用有均勻、與坡面外法線方向一致的法向凍脹力，和均勻的、指向坡頂?shù)那邢騼雒浟?，在這些凍脹力的作用下進(jìn)行邊坡混凝土板的抗拔驗(yàn)算和抗彎驗(yàn)算。該方法不僅沒有考慮渠基土的雙向凍結(jié)，而且沒有考慮渠水位發(fā)生變化影響。當(dāng)渠內(nèi)水位較低時，雖然作用的荷載形式與前相同，但與實(shí)際渠道的破壞現(xiàn)象不完全符合。所以該方法不適用于冬季低水位運(yùn)行時的渠道邊坡混凝土襯砌層的抗凍脹破壞驗(yàn)算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提出了一種適用于冬季低水位運(yùn)行時混凝土梯形渠道的抗凍脹破壞驗(yàn)算方法?？紤]冬季渠內(nèi)水位較低的運(yùn)行工況，可以確保襯砌層具有在低水位工況下有足夠的抵抗凍脹力作用能力，保證渠道的安全可靠的運(yùn)行，最大限度地發(fā)揮工程效益。

冬季，因受渠道中溫度為0℃以上的渠水保護(hù)作用，渠中水面線以下的混凝土邊坡板及其下土體的溫度維持在0℃以上，土體無凍結(jié)，水下部位的混凝土襯砌層無變位；而水面線以上的混凝土邊坡襯砌層暴露在大氣中，在大氣負(fù)溫的作用下，水面線以上部位渠基含水土層凍脹，此部位的混凝土襯砌層就有了沿坡面向坡頂和垂直坡面向渠內(nèi)的位移趨勢。

由于渠內(nèi)水位低，渠堤邊坡板斜長范圍內(nèi)下部的渠堤土不凍結(jié)而上部較長的渠堤土體與襯砌層凍結(jié)為一體?；炷吝吰掳宀荒軌蚣s束凍結(jié)的渠基土的凍脹變位，則渠基土無法向凍脹力作用于邊坡混凝土板，且?guī)忧婢€以下部位混凝土邊坡板變位。因而渠內(nèi)水位以上渠堤土的凍脹作用使邊坡襯砌層不僅有沿邊坡滑動的趨勢，更有因混凝土襯砌層剛性較大而使水面線下的混凝土邊坡板與渠基土分離的趨勢，即水面線下的襯砌層有克服自重、水壓力以及底板約束力的作用而向渠堤外法線方向上位移的趨勢，而底板有從兩端被抬起的趨勢。而變位的邊坡板通過摩阻使渠底板有克服水壓力和底板自重被抬起的趨勢。所以，冬季低水位運(yùn)行時不僅要對邊坡混凝土襯砌層進(jìn)行抗凍脹破壞能力的驗(yàn)算，還要對底板進(jìn)行抗凍脹破壞驗(yàn)算。

發(fā)明所采用的技術(shù)方案：

本發(fā)明冬季低水位運(yùn)行時混凝土梯形渠道的抗凍脹破壞驗(yàn)算方法，過程如下：

1)不考慮水平分縫的影響，將渠內(nèi)水面線以上、與基土凍結(jié)為一體的混凝土邊坡板部位視為渠內(nèi)水面線以下部位混凝土邊坡板的約束(即固定端)，視渠內(nèi)水面線以下部位的混凝土邊坡板為水壓力、板自重以及底板約束作用的懸臂結(jié)構(gòu)；

2)將底板視為作用有水壓力和底板自重、兩端有混凝土邊坡板約束的水平擱置于基土之上的受力構(gòu)件；

3)對混凝土邊坡板和底板分別按拉彎組合作用和壓彎組合作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力與混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度比較，以此來判斷混凝土邊坡板和底板能否抵抗渠基土的凍脹破壞作用。

所述的冬季低水位運(yùn)行時混凝土梯形渠道的抗凍脹破壞驗(yàn)算方法，底板端部與邊坡混凝土板間的相互約束，可用水平約束力和鉛垂約束力來表示，即水平約束力為混凝土邊坡板自重沿坡面切向分力與切向凍脹力代數(shù)和在水平向的分力，而鉛垂方向的約束力為自重沿坡面切向分力與切向凍脹力代數(shù)和在鉛垂方向的分力與板間的摩阻力的代數(shù)和；若混凝土邊坡板自重沿坡面切向分力小于切向凍脹力，理論上不用進(jìn)行底板的抗凍脹破壞驗(yàn)算，但考慮到凍脹是發(fā)展的過程，則可用邊坡板的自重在坡度方向上切力作用在底板上來進(jìn)行底板的抗凍脹破壞驗(yàn)算。

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明冬季低水位運(yùn)行時混凝土梯形渠道的抗凍脹破壞驗(yàn)算方法，解決了季節(jié)凍土區(qū)混凝土渠道冬季低水位運(yùn)行工況下混凝土邊坡板和底板抗凍脹破壞能力驗(yàn)算。通過將與凍土凍結(jié)為一體的邊坡混凝土襯砌層視為渠內(nèi)水位以下混凝土襯砌層的約束部分(即固定端)、渠內(nèi)水位以下部位的混凝土襯砌層視為有水壓力、板自重以及底板約束荷載作用的懸臂結(jié)構(gòu)，而底板為兩端有混凝土邊坡板作用的約束力、板上有均布水壓力和底板自重的擱置在渠基土上的受力構(gòu)件。據(jù)此受力構(gòu)件進(jìn)行渠道襯砌層進(jìn)行抗凍脹破壞能力的驗(yàn)算，以保證渠道具有足夠的能力抵抗渠基土凍脹的破壞作用。

2、在如新疆這樣荒漠、半荒漠地區(qū)，人們生活擇水而棲，工農(nóng)業(yè)的發(fā)展也都依賴于三山(昆侖山、天山和阿爾泰山)產(chǎn)水并發(fā)育成大小不一的各條河流。而水能是一種清潔、綠色、再生能源。從上世紀(jì)60年代開始興建水電站，至今，仍未停止在各河流上規(guī)劃和建設(shè)的各級電站的步伐。從河道引水，乃至電站的尾水送至下一級電站都需要渠道輸水。而季節(jié)凍土地區(qū)的冬季輸水渠道，不僅存在著渠內(nèi)水結(jié)冰對襯砌層的冰推、冰拔破壞作用，而且還有渠內(nèi)水面線以上基土的凍脹對襯砌層破壞作用。在這兩種破壞作用使渠道砌石或混凝土襯砌層產(chǎn)生裂縫、隆起和滑塌等破壞現(xiàn)象，凍害和冰害使得襯砌渠道失去防滲防沖功能。而新疆河流多為山溪性河流，主要由山地降水、冰雪(川)融水補(bǔ)給，因而來水流量有明顯的季節(jié)性變化，即夏季水量多冬季水量少的特點(diǎn)。河流冬季來水量遠(yuǎn)較夏季豐水期的少，河道能引入渠道的流量往往只有渠道設(shè)計流量的20％左右。所以，對上游無水庫調(diào)節(jié)的引水式水電站的引水渠來說，冬季渠內(nèi)水位低。

目前絕大多數(shù)冬季輸水渠道是按冬季停水渠道來設(shè)計的。這是因?yàn)槿藗儩撘庾R里認(rèn)為:由于冬季輸水渠道的基土不像冬季停水渠道的基土在渠道整個橫斷面上全部凍脹，而是僅在渠內(nèi)水面線以上邊坡部位凍脹，所以，渠基土的凍脹不如全斷面凍脹那么嚴(yán)重，襯砌層破壞程度也就比冬季停水渠道的輕。但是，工程實(shí)際是究竟是否如此，還有待進(jìn)一步論證。對于冬季輸水渠道的凍脹破壞問題，人們才開始著手研究，有學(xué)者提出將樁的凍拔問題引入到冬季輸水渠道邊坡板的抗凍脹能力驗(yàn)算之中。然而低水位情況下，水面線以下的邊坡板變位幾乎不受限制，所以，這種方法并不適用于低水位運(yùn)行的混凝土渠道。而本發(fā)明冬季低水位運(yùn)行工況渠道混凝土襯砌層抗凍脹破壞驗(yàn)算方法建立了冬季輸水渠道引水量較小時襯砌層的力學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)了混凝土襯砌層的結(jié)構(gòu)設(shè)計，保障了渠道的襯砌層防滲防沖功能的長效性。該技術(shù)的應(yīng)用帶來的顯性、直接效益就是不再修建運(yùn)營期間還需要經(jīng)常耗時耗力耗資維修的渠道，即可節(jié)約大量的人力物力財力。而其隱性、間接效益就很難的評估，這效益大小取決于與凍脹破壞的渠道相比滲漏量損失減小，增加可利用水(運(yùn)行多年時水量可觀)的用途。若用于農(nóng)業(yè)灌溉或工業(yè)生產(chǎn)，可由產(chǎn)值來衡量，若用于生態(tài)建設(shè)，帶來的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會效益就無法估計了。

附圖說明

圖1為冬季低水位工況下渠道混凝土襯砌層凍脹變位圖；

圖中，渠床土為正溫，即該區(qū)域內(nèi)土體未凍結(jié)；渠床土為負(fù)溫，即該區(qū)域內(nèi)土體已凍結(jié)；1渠床土凍脹變位實(shí)際表面線；2渠床土未凍結(jié)時表面線；3凍結(jié)鋒面線；4渠床土未凍結(jié)時襯砌層位置；5渠水位；6凍脹后襯砌層位置；

圖2為冬季低水位工況下混凝土渠道邊坡板受力圖；

圖3為冬季低水位工況下混凝土渠道底板受力圖；

圖中，τ為切向凍脹力；τ_max為切向凍脹力最大值；γ為混凝土容重；h為邊坡襯砌層最度；h′為底板襯砌層最度；p_w為水壓力強(qiáng)度；α為邊坡板與水平面間的夾角；C、D為底板的兩個端部；R_Cx為底板作用于邊坡板在x方向的約束力；f_Cy′為底板在C端部作用于邊坡板在y′方向的約束力，即摩阻力，也是邊坡板作用于底板C端部在y′方向約束力反作用力，同記為f_Cy′；R_Cx′、R_Cy′為邊坡板作用于底板C端部上在x′、y′方向的約束力，它們的合力為R_Cx的反作用力；p為底板與土體的接觸應(yīng)力。R_Dx、f_Dy′分別與R_Cx、f_Cy′相同，它們只是在底板D端部面上。

下面通過具體實(shí)施方式，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

參見圖1。本發(fā)明冬季低水位運(yùn)行時混凝土梯形渠道的抗凍脹破壞驗(yàn)算方法，針對渠道冬季低水位運(yùn)行工況進(jìn)行。由于渠內(nèi)水位低，邊坡混凝土襯砌層及水壓力不能夠約束水面線以上渠基土的凍脹變位，渠基土無法向凍脹作用于邊坡混凝土襯砌層，且?guī)铀婢€以下部位混凝土邊坡板變位，使其有與下部未凍基土分離的趨勢；變位的邊坡板通過摩阻使渠底板有克服水壓力和底板自重被抬起的趨勢；在此基礎(chǔ)上，不考慮水平分縫的影響，將渠內(nèi)水面線以上、與渠基土凍結(jié)為一體的混凝土邊坡板部位視為渠內(nèi)水位以下部位混凝土邊坡板的約束(即固定端)，視渠內(nèi)水面線以下部位的混凝土邊坡板為水壓力、板自重以及底板約束作用的懸臂結(jié)構(gòu)；將底板視為作用有水壓力和底板自重、兩端有混凝土邊坡板約束的水平擱置于基土之上的受力構(gòu)件；對混凝土邊坡板和底板分別按拉彎組合作用和壓彎組合作用產(chǎn)生的拉應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度比較，以此來判斷混凝土邊坡板和底板能否抵抗渠基土的凍脹破壞作用。

實(shí)施例2

參見圖1、圖2、圖3，本實(shí)施例的冬季低水位運(yùn)行時混凝土梯形渠道的抗凍脹破壞驗(yàn)算方法，與實(shí)施例1不同的是，進(jìn)一步的：將所述底板端部與混凝土邊坡板間的相互約束，用水平約束力和鉛垂約束力來表示，即水平約束力為混凝土邊坡板自重沿坡面切向分力與切向凍脹力代數(shù)和在水平向的分力，而鉛垂方向的約束力為自重沿坡面切向分力與切向凍脹力代數(shù)和在鉛垂方向的分力與板間的摩阻力的代數(shù)和；

若混凝土邊坡板自重沿坡面切向分力小于切向凍脹力，理論上不用進(jìn)行底板的抗凍脹破壞驗(yàn)算，但考慮到凍脹是發(fā)展的過程，則可用混凝土邊坡板的自重沿渠坡的切向分力作用在底板上來進(jìn)行底板的抗凍脹破壞驗(yàn)算。

實(shí)施例3

參見圖1、圖2、圖3，本實(shí)施例的冬季低水位運(yùn)行時混凝土梯形渠道的抗凍脹破壞驗(yàn)算方法，將底板端部與混凝土邊坡板間的相互約束，用水平約束力和鉛垂約束力來表示，即水平約束力為混凝土邊坡板自重沿坡面切向分力與切向凍脹力代數(shù)和在水平向的分力，而鉛垂方向的約束力為混凝土邊坡板自重沿坡面切向分力與切向凍脹力的代數(shù)和在鉛垂方向的分力與板間的摩阻力的代數(shù)和，參見圖3；若混凝土邊坡板自重沿坡面切向分力小于切向凍脹力，考慮到凍脹是發(fā)展的過程，用混凝土邊坡板的自重在沿坡面的切向力作用在底板上來進(jìn)行底板的抗凍脹破壞驗(yàn)算。

混凝土邊坡板受到底板約束的力，為底板作用于混凝土邊坡板的反作用力。但是為了方便混凝土邊坡板的內(nèi)力分析，用平行于邊坡面的切向力和鉛垂向下的摩阻力表示，參見圖2。具體驗(yàn)算方法及過程如下：

對于冬季過水的混凝土強(qiáng)度等級為C20的襯砌防滲渠道，渠深H′＝4.5m，渠內(nèi)水深H＝1.5m，邊坡系數(shù)m＝1.75,底寬為b＝3m,邊坡襯砌層厚度h＝0.13米，底板襯砌層厚度h′＝0.15m，混凝土和水的容重分別γ＝24kN/m³,γ_w＝10kN/m³，切向凍脹力最大值τ_max＝17.0kN/m²,混凝土板間摩阻系數(shù)為0.4，試驗(yàn)算該渠道混凝土襯砌層抗凍脹能力是否滿足要求。

1)底板端受邊坡的約束，即板自重在邊坡切向的分力為：R_Cx＝14.04kN

邊坡板作用于底板C端部上在x′方向的約束力為：R_Cx′＝12.16kN

邊坡板作用于底板C端部上在y′方向的約束力為：R_Cy′＝6.95kN

板間摩阻力為f_Cy′＝4.86kN

據(jù)底板混凝土襯砌層鉛垂方向上力的平衡原理得底板端部(縱向上取長度1米計)支反力R_Cy′為R_Cy′＝6.95kN大于f_Cy′＝4.86kN，邊坡板在坡面法向上有位移。而底板豎向力為10.8+45+2×6.95＝69.70kN,遠(yuǎn)大于2×4.86＝9.72kN,即底板的基底壓力p＝20.00kN/m²大于零，可不用考慮凍脹對底板的影響，底板是安全的。

2)根據(jù)邊坡混凝土襯砌層的力和力矩平衡得渠水面線處的(縱向上取長度1米計)固定端支座約束力分別為：

邊坡板固定端位置處法向約束為R＝36.39kN，指向渠內(nèi)。

考慮底板摩阻作用，固定端的彎矩為：M＝12.41+45.90+12.76＝71.07kN.m

邊坡板橫截面抵抗矩W＝0.002817m³

軸向約束為N＝42.15kN，指向坡頂，由此可知，邊坡板向坡頂移動，有與底板分離的趨勢，底板對邊坡板的約束力逐漸增減小。

邊坡板的軸向拉力為N＝42.15kN

邊坡板橫截面面積為A＝0.13m²

僅就水壓力和邊坡板自重產(chǎn)生的拉應(yīng)力為遠(yuǎn)大于1100kPa，材料抗拉強(qiáng)度不能滿足要求，即邊坡板發(fā)生破壞。

若再考慮邊坡板和底板兩者未分離時的拉應(yīng)力為就更不能滿足材料強(qiáng)度的要求。