[发明专利]一种寒区输水渠道抗冻胀变厚度衬砌结构的计算方法

说明书

本发明涉及一种寒区输水渠道抗冻胀变厚度衬砌结构的计算方法，该方法包括以下步骤：⑴对整个渠道衬砌进行受力分析，并分别计算得到渠底、渠顶垂直于衬砌板轴线方向的约束反力；⑵分别计算衬砌板任意截面处所对应的轴力、衬砌板上的最大的轴力；⑶计算作用于整个衬砌板上的总弯矩；⑷计算法向冻胀力作用下衬砌板上的最大弯矩；⑸计算切向冻结力在x₀位置处的总弯矩；⑹计算最大弯矩截面对应的最大正应力；⑺计算渠底衬砌厚度；⑻衬砌顶部厚度设计根据现有规范确定，并按衬砌板在渠底厚度最大、靠近渠顶的衬砌板厚度逐渐下降、渠道衬砌纵向截面呈梯形分布的原则进行设置即可。本发明可以增强衬砌的抗冻胀性能、降低衬砌的施工成本。

技术领域

本发明涉及寒区水利、灌溉、农田工程技术领域，尤其涉及一种寒区输水渠道抗冻胀变厚度衬砌结构的计算方法。

背景技术

为减少渗漏、改善水流条件和节约水资源，渠道衬砌在灌排工程、水利水电工程及工农业工程中快速发展，据统计我国已建成各类衬砌渠道达70多万公里。目前渠道衬砌工程主要依据水力学及工程经验进行设计，在非冻土区域是经济安全可靠的，但在冻土地区，由于衬砌自身的薄板结构形式及基土冻胀力的作用，依据以往经验设计的渠道衬砌遭受到严重的冻胀破坏，使得衬砌胀裂、隆起及滑塌，严重影响渠道的工程效益。

冻土与衬砌间的相互作用非常复杂，与衬砌材料、基土物理力学性质、地质条件、环境条件及衬砌-基土界面相互作用等多种因素相关。在现行规范《渠系工程抗冻张设计规范SL23-2006》中对衬砌下方基土的冻胀力计算方法进行了规定，根据工程经验给出了不同渠道断面形式和衬砌材料对应的允许最大冻胀量作为衬砌设计标准。规范中并未对衬砌的设计尺寸、强度和刚度方面做出规定。根据工程经验和前人研究成果，渠道坡板衬砌下方的冻胀力沿着坡板方向是非均匀分布的，但在工程设计和施工过程中衬砌板的厚度沿坡板方向均匀分布，使得靠近渠顶部位材料的力学性能没有充分发挥。加上近年各种新型的、昂贵的材料广泛使用，使得渠道衬砌工程的经济成本增加。

现有的渠道衬砌结构，无论在非冻土区还是冻土区都采用等厚度形式，在冻土区会根据衬砌所受最大冻胀力而增加厚度，使得最危险截面能够抵御最大的冻胀力。现有衬砌的抗冻胀技术也主要集中于在材料上的改进，对结构形式的改进较少。如：《一种非引气型的渠道衬砌抗冻融混凝土》（CN107324709B）中对混凝土的材料进行了改进，以提高其材料自身的抗冻胀性能；《一种用于水利工程防冰胀装置》（CN207619912U）中通过在衬砌内侧增加保温层来提高衬砌的抗冻胀性能；《一种渠道衬砌保温板》（CN207436011U）、《一种内含保温层的渠道抗冻胀衬砌板》（CN106049369A）、《一种聚苯乙烯板用于模袋混凝土渠道防冻胀的方法》（CN108643129A）、《一种咸寒区渠基土保温防冻胀相变保温板》（CN111719509A）通过在衬砌下方增加保温板来提高衬砌的抗冻胀性能；《一种渠道抗冻胀空腔保温衬砌板》（CN106012980A）通过在衬砌板内设置空腔达到保温作用；《一种湿陷性黄土输水渠道的抗冻防渗导水治理方法》（CN102995599B）通过增加排水装置提高衬砌的抗冻胀能力；《一种冬季低水位运行时混凝土梯形渠道的抗冻胀破坏验算方法》（CN106529046B）对冬季输水渠道衬砌的验算方法进行了说明，并未涉及衬砌结构截面形式的优化；《一种复合横断面刚性衬砌渠道》（CN201720015064.8）通过渠道衬砌断面形式的改进提高其抗冻胀能力。

综上所述，现有提高寒区输水渠道衬砌抗冻胀性能的方法主要从增加保温层或提高衬砌材料自身保温能力出发，对涉及衬砌结构形式的优化相对较少。而冻胀力为非均匀分布力，在整个衬砌板上的弯矩也是非均匀分布的，从而使得现有衬砌设计方法无法充分发挥材料的力学性能，造成施工成本增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种增强衬砌的抗冻胀性能、有效降低衬砌施工成本的寒区输水渠道抗冻胀变厚度衬砌结构的计算方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种寒区输水渠道抗冻胀变厚度衬砌结构的计算方法，包括以下步骤：