国家自然科学基金(51279168)
- 作品数：33 被引量：232H指数：12
- 相关作者：王正中刘铨鸿王羿肖旻李爽更多>>
- 相关机构：西北农林科技大学中国科学院中国科学院西北生态环境资源研究院更多>>
- 发文基金：国家自然科学基金国家科技支撑计划国家重点实验室开放基金更多>>
- 相关领域：水利工程农业科学建筑科学更多>>
- 温-水-土-结构耦合作用下寒区梯形衬砌渠道结构形体优化被引量：12
- 2019年
- 为提高寒区大型梯形渠道结构输水及抗冻胀破坏能力,采用分层序列法构建渠道断面水力与抗冻胀双目标优化方法。为准确反映温、水、土等外环境与衬砌结构耦合作用所导致的渠道冻胀变形过程,基于冻土水-热-力耦合冻胀理论建立了衬砌渠道冻胀分析模型。以水力最优为第1层次优化,以所得形体几何参数作为抗冻胀优化的解集空间;在第2层次的抗冻胀优化过程中提出了衬砌结构整体刚度指标,并以整体刚度指标最小作为优化目标,以衬砌允许最大法向位移和拉应力作为约束条件;通过COMSOL软件二次开发对冻胀模型控制方程进行有限元求解。工程算例表明:优化结果体现了对渠道行水和衬砌抗冻胀的改进;与原设计相比,优化后渠道结构整体刚度系数减小30%~48%,提高了对冻胀变形的适应能力。该方法可为类似工程设计提供参考。
- 王羿刘瑾程刘铨鸿王正中
- 关键词：衬砌渠道
- 高寒区输水渠道渠基蓄热增温防冻胀技术原型试验被引量：1
- 2022年
- 冬季输水渠道衬砌板在基土冻胀和冰压力双重作用下,在行水位及其上部易发生开裂、折断等破坏,目前还未有利用太阳能或风能等绿色能源进行渠基主动、低碳增温的防冻胀技术。为此,研发了由抛物面聚光槽、集热管、太阳追踪器、散热通道、碎石槽蓄热体与散热空气循环风机组成的渠基风光能蓄热增温系统,其散热通道采用紧贴渠坡衬砌布置和碎石槽底部布置两种形式。通过北疆某渠道工程的现场安装与温度监测,分析了该技术的增温效果与适用性。结果表明:渠基风光能蓄热增温系统可有效提升土温,削减冻深,具有良好的工程防冻胀应用效果,可为寒区渠道冬季输水以及渠道升级改造提供技术支撑。
- 江浩源王正中孟晓栋王羿谭志翔葛建锐
- 关键词：冬季输水防冻胀
- 高地下水位弧底梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏力学模型探讨被引量：10
- 2012年
- 【目的】探讨高地下水位弧底梯形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏的力学模型,为实际工程中衬砌体的设计与建设提供参考。【方法】根据冻土力学、材料力学及高等数学知识,提出渠道坡板的计算简图是在法向冻结力、切向冻结力和法向冻胀力共同作用下的简支梁,渠底板是与两衬砌相互作用的压弯构件,进而依据合理的简化和假设,提出并建立高地下水位弧底梯形渠道混凝土冻胀破坏的力学模型,并进行了实例应用研究。【结果】通过建立的高地下水位弧底梯形渠道混凝土冻胀破坏力学模型,不仅能计算出弧底梯形渠道坡板、底板的控制内力及最大弯矩作用点,而且可以计算出渠道衬砌渠坡板所受的法向冻结力,并可估计混凝土板可能发生胀裂的位置。【结论】弧底梯形渠道混凝土衬砌结构法向冻胀力小,法向冻结力作用点在距渠顶1/5处,整体变形及抗冻胀能力强,并优于梯形渠道,为以后的渠道防冻胀设计提供了科学依据。
- 孙杲辰王正中娄宗科杨晓松肖旻安元
- 关键词：弧底梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏力学模型
- 开放系统预制混凝土梯形渠道冻胀破坏力学模型及验证被引量：15
- 2016年
- 预制混凝土衬砌渠道在中国北方寒冷地区得到普遍应用,而其在高地下水位条件下的冻胀力学分析尚无简捷、可靠的方法。该文假定渠道基土服从Winkler假设,从而在特定地区相似的土质、气候条件下衬砌板各点的基土冻胀强度仅与相应点的水分补给强度有关,结合冻胀力、基土冻胀率和地下水埋深三者相互间的函数关系,提出了一种计算渠道衬砌冻胀受力分布的方法。将其应用到一类预制板尺寸适中的预制混凝土衬砌梯形渠道中,建立了冻胀破坏力学模型。结合力学分析和工程实践,对预制混凝土衬砌结构可能发生的冻胀破坏形式和原因进行了分类,并确定了相应的冻胀破坏验算控制截面,提出了相应的冻胀破坏判断准则。采用单位荷载法提出了一种对板间接缝处法向冻胀位移进行直接验算的方法。最后,结合工程实例进行了计算,结果表明,模型合理可靠,可为工程设计提供一定的参考和理论依据。
- 肖旻王正中刘铨鸿刘月郭瑞
- 关键词：冻土冻胀力学模型
- 基于MATLAB圆形断面均匀流水深的计算
- 2013年
- 针对目前圆形断面均匀流水深普遍采用的试算法、图表法存在计算误差大、适用范围小的缺点,欲提出一种新的近似计算公式。通过对圆形断面临界流公式的数学变换,得到其均匀流水深的数学模型,并采用Matlab数学软件进行数据拟合处理。得到了一种求解圆形断面均匀流水深的近似直接计算公式,实例计算及误差分析表明,在工程实用范围内该公式最大相对误差不超过1.6%。与现有圆形断面均匀流水深的计算公式进行比较,本文计算公式计算便捷且适用范围广,可供工程实际参考。
- 李蕊王正中王志刚
- 关键词：MATLAB语言均匀流水深圆形断面
- 大型弧底梯形渠道“适缝”防冻胀机理及应用研究被引量：20
- 2019年
- 旱寒区渠道工程上预先在衬砌板易产生裂缝处顺其自然设置纵缝,以防止冻胀破坏。为探明这种纵缝设置的防冻胀机理及其最佳布设形式,基于冻土水-热-力三场耦合理论,考虑纵缝填充的接触本构及衬砌-冻土相互作用,建立了旱寒区常用的大型窄深式弧底梯形渠道冻胀仿真分析模型,以衬砌板上下表面沿周长正应力分布均匀度为一级指标,以其截面正应力满足强度要求为二级指标,对纵缝设置位置、宽度、个数及其组合削减渠道冻胀效果进行了研究。结果表明:弧底衬砌板属于薄拱结构,渠坡板为梁结构,纵缝为可移动弹性铰;纵缝位置及宽度的变化不断调整拱-梁结构的刚度及弹性铰的约束刚度,以适应基土冻胀变形,使衬砌板表面应力均匀化,从而削减冻胀;但纵缝过宽会过度削弱弧底拱效应,使弧底中心和坡板上表面及坡脚下表面拉应力过大,易导致冻胀破坏;单独设缝时坡脚位置设缝防冻胀效果最好,而组合设缝削减冻胀效果更优,尤其是坡脚与坡板组合设缝。以新疆某供水渠道为例,采用坡脚与坡板1/4、3/4处组合设缝,缝宽取1 cm,可满足两级指标,削减冻胀效果最优,可为旱寒区大型渠道防冻胀合理布设纵缝(适缝)提供科学依据。
- 江浩源王正中王羿刘铨鸿葛建锐
- 关键词：布设形式
- 考虑水分迁移及相变对温度场影响的渠道冻胀模型被引量：25
- 2016年
- 冬季渠基冻土中水分迁移及相变产生的巨大潜热对温度场影响显著,由此,该文建立了考虑水分迁移与相变潜热的渠基土体冻胀模型。模型将冻土视为低温膨胀性材料,将相变潜热作为材料的等效热容加入热传导方程中;根据Clapeyron方程和达西定律建立饱和冻土冻结锋面处水分迁移表达式,并以迁移水相变潜热作为热传导方程热源项;采用COMSOL对模型算例求解,与不考虑相变和水分迁移的模型比较发现:相变作用对渠道温度场和变形场影响较大,考虑相变后,冻深推进缓慢,且冻深减小,衬砌板变形整体减小,较不考虑相变的模拟结果更接近实际情况,验证了本模型的合理性,为寒区工程冻胀设计提供参考。
- 刘月王正中王羿刘铨鸿郭瑞肖旻
- 关键词：渠道冻土水分相变水分迁移
- 北疆白砂岩与泥岩的土水特征曲线及渗透曲线实验研究被引量：6
- 2020年
- 中国北疆地区大型渠道基土多为白砂岩和泥岩,其水力特性决定着渠道结构病害的形成与发育。为此以新疆阿勒泰北屯灌区的白砂岩、泥岩为研究对象,测试其物理力学和抗渗各项指标;根据非饱和土理论,采用滤纸法得到其土水特征曲线,并基于Gardner模型、Van Genuchten模型和Fredlund&Xing模型对土水特征曲线进行参数拟合并分析其持水特性;结合其土水特征曲线进一步采用Childs&Collis-Geroge模型研究了其非饱和渗透曲线。试验结果表明:白砂岩、泥岩具有膨胀性且为低渗透性土体。白砂岩抗剪强度高、压缩性低。白砂岩、泥岩土水特征曲线拟合效果最好的分别是GA模型、VG模型,泥岩较白砂岩的持水性能更好。相对渗透系数随基质吸力增加而急剧降低,一定基质吸力范围内两者在双对数坐标系中呈直线型曲线。
- 谭志翔王正中葛建锐江浩源刘铨鸿孟晓栋
- 关键词：土水特征曲线基质吸力
- 高地下水位弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀断裂破坏力学模型及应用被引量：20
- 2015年
- 【目的】在线弹性断裂力学的基础上,对高地下水位弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀断裂破坏力学模型进行研究,为弧底梯形衬砌渠道的设计提供依据。【方法】将高地下水位弧底梯形渠道混凝土衬砌简化为简支梁结构并建立其冻胀力学模型,在考虑材料本身缺陷的基础上结合断裂力学理论,提出了高地下水位弧底梯形渠道冻胀断裂破坏力学模型。运用断裂力学及结构力学等相关理论,考虑法向冻结力的作用,通过适当的简化计算弧底梯形渠道衬砌的相关内力,并提出适用于弧底梯形渠道衬砌的断裂力学破坏准则,利用计算实例对所建立的渠道冻胀断裂破坏力学模型进行验证。【结果】渠道衬砌板的冻胀断裂符合Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的特点,通过建立的弧底梯形渠道混凝土冻胀断裂力学模型,可以计算出渠道阴坡、阳坡、渠底的衬砌板厚度。计算实例证明,所建立的高地下水位弧底梯形渠道冻胀断裂破坏力学模型正确可行、简单实用。【结论】弧底梯形混凝土衬砌渠道优于梯形渠道,是一种冻胀力及冻胀变形较小的结构形式。
- 石娇王正中张丰丽肖旻李爽杨晓松
- 关键词：弧底梯形渠道高地下水位混凝土衬砌冻胀破坏
- 考虑混凝土衬砌板与冻土接触非线性的渠道冻胀数值模拟被引量：59
- 2014年
- 旱寒灌区渠基土中水分在温度梯度作用下向冻结锋面迁移聚集并冻结膨胀,使其上混凝土衬砌板冻胀破坏,以往的线弹性分析方法在数值模拟中将冻土与混凝土衬砌板视为一体,无法反映两者之间的滑移。本文采用符合冻土与混凝土接触面冻结特性的非线性本构模型来合理反映两者的相对滑动及脱离,考虑混凝土的弹塑性及其与冻土的接触非线性,建立能反映混凝土板从弹性到塑性屈服失效过程的渠道冻胀破坏数值模型,并对冻胀过程进行分析。结果表明,未考虑接触非线性的切向冻结力会超过混凝土与冻土最大冻结强度,不符实际;而考虑接触非线性的数值模型更能反映衬砌渠道冻胀破坏过程,更能合理解释渠道冻胀破坏位置在渠底中间和阴阳坡靠近渠底1/3板长处,切向冻结力、法向冻胀力最大值较未考虑接触非线性的要小约50%且分布更均匀。
- 李爽王正中高兰兰刘铨鸿王文杰孙杲辰
- 关键词：渠道冻胀数值模拟
