[发明专利]一种渠道冻胀破坏分析方法

说明书

本发明公开一种渠道冻胀破坏分析方法，包括以下步骤：获取环境降温条件，获取冻土渠道材料参数，建立冻土渠道有限元模型和利用有限元模型分析冻胀破坏原因；本发明采用大型商业多物理场耦合分析软件COMSOL建立基于水‑热‑力耦合的冻土渠道典型断面冻胀有限元模型，并设计了冬季日最低温、日平均温度，以及典型年月平均温度三种对比工况，分析了不同降温条件下，渠道基土冻胀和衬砌受力规律，以及渠道的冻胀特性，实现对渠道冻胀破坏的精准有效分析，以得出产生冻胀破坏的根本原因，便于为后续的渠道冻胀防治工作提供重要参考和理论依据。

技术领域

本发明涉及冻胀破坏分析技术领域，尤其涉及一种渠道冻胀破坏分析方法。

背景技术

近年来,随着我国西北部地区快速发展，渠系工程数量也随之增多，其中混凝土面板堆石坝因具有安全性高、稳定性好以及施工简洁的优点而得到广泛应用，但由于冻土影响，冻土地区的渠系建筑往往受冻融循环作用而破坏，给寒冷地区的渠系施工造成较大的安全隐患，为了保证渠系工程中已建渠段的结构安全和待建工程顺利施工，需要对渠系建筑进行冻胀破坏分析。

渠道冻胀破坏是由于渠基土受冻体积膨胀顶托衬砌而形成，渠基土受冻体积膨胀必须具备以下条件：寒冷气候区持续的负温条件；土壤中自由水和毛细水的存在，并且有通畅的水分补给通道；寒冻风化的土表；土壤本身的物理力学性质，包括土的颗粒组成，矿物质成份等。在以上三个条件中，土壤中自由水和毛细水的存在是冻胀发生的的先决条件，也是必备条件。

现有的渠道冻胀破坏分析方法大都步骤繁琐，操作复杂，且没有考虑不同降温条件下，渠道基土冻胀和衬砌受力规律，导致不能精准有效的分析出产生渠道冻胀破坏的原因，从而不能保证渠系工程中已建渠段的结构安全，并导致待建工程的施工受到阻碍。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种渠道冻胀破坏分析方法，解决现有的渠道冻胀破坏分析方法步骤繁琐，操作复杂以及不能精准有效的分析出产生渠道冻胀破坏原因的问题。

为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种渠道冻胀破坏分析方法，包括以下步骤：

步骤一：分别获取冻土渠道所在地区不同时间段的日最低气温、日平均气温以及历史典型冬季月平均气温，作为环境降温条件；

步骤二：获取冻土渠道混凝土的各相力学参数、冻土渠道基土的基本参数和冻融土的热力学以及力学参数，作为冻土渠道的材料参数；

步骤三：先测量冻土渠道断面的几何尺寸，再取渠底衬砌中点为模型整体坐标原点，并结合环境降温条件和材料参数建立冻土渠道的水-热-力三场耦合模型，作为冻土渠道断面的有限元模型，接着有限元模型进行网格划分，然后确定有限元模型的边界条件和初始条件，最后采用瞬态分析方法计算冻土渠道的冻结情况并设置有限元模型的计算荷载；

步骤四：先获取冻土渠道右岸阴坡基土表面对流换热系数和冻土渠道左岸阳坡与渠底对流换热系数，作为模型的温度场边界，再将温度场边界代入有限元模型，利用有限元模型对冻土渠道断面进行耦合复核计算，实现对渠道冻胀破坏的计算分析。

进一步改进在于：所述步骤一中，日平均温度取自每天的最高气温与最低气温的平均值，每天的最高气温、最低气温以及月平均气温均通过国家气象局官网查询。

进一步改进在于：所述步骤二中，混凝土的各相力学参数包括密度、弹性模量、泊松比、导热系数和体积比热容，基本参数包括干密度、饱和含水率、残余含水率和饱和渗透率，冻融土的热力学以及力学参数包括热传导率、体积比热容、弹性模量和泊松比。

进一步改进在于：所述步骤三中，所述水-热-力三场耦合模型应用大型商业多物理场耦合分析软件COMSOL建立，有限元模型采用四边形映射网格方法划分单元，与渠槽相邻的基土采用网格加密。