寧夏引黃灌區(qū)骨干渠道EPS保溫板厚度優(yōu)選試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究.pdf

1、寧夏地處季節(jié)性凍土區(qū)，嚴(yán)重的凍脹破壞不僅使得灌區(qū)渠道運(yùn)行年限降低、維修費(fèi)用增加，而且影響灌溉水資源的高效和持續(xù)利用，已成為制約高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田基本建設(shè)的瓶頸。本文在查閱國內(nèi)外渠道凍脹機(jī)理研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合寧夏灌區(qū)渠道破壞現(xiàn)狀，以引黃灌區(qū)兩條干渠（秦渠和良田渠）為研究對(duì)象，開展了襯砌渠道凍脹破壞機(jī)理、不同類型渠道凍脹破壞特征以及鋪設(shè)聚苯乙烯保溫板減緩渠道凍脹破壞效果的試驗(yàn)研究與優(yōu)化分析計(jì)算，預(yù)期為我區(qū)農(nóng)田水利配套工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
　

2、　論文的主要研究工作包括:
　　(1)分別選取秦渠呈東西走向的渠段和良田渠呈南北走向的渠段作為典型試驗(yàn)段，布置觀測(cè)斷面，在各觀測(cè)斷面不同位置鋪設(shè)不同厚度聚苯乙烯保溫板，進(jìn)行了包括氣溫、凍深、凍脹量、土壤含水率等要素的原型觀測(cè)。通過分析觀測(cè)結(jié)果，探討了不同厚度保溫板對(duì)上述因素的影響，進(jìn)而研究了不同走向的渠道和不同渠坡位置上，聚苯乙烯保溫板的鋪設(shè)厚度問題;
　　(2)根據(jù)上述兩條干渠典型試驗(yàn)段的實(shí)際資料，對(duì)目前聚苯乙烯保溫板厚度

3、計(jì)算的三種方法（經(jīng)驗(yàn)估算法、熱工計(jì)算法和相關(guān)比擬法）進(jìn)行了驗(yàn)算，并結(jié)合試驗(yàn)所得保溫板厚數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行了系數(shù)修正;
　　(3)利用ANSYS有限元軟件，建立了試驗(yàn)渠段各觀測(cè)斷面的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行熱-應(yīng)力耦合數(shù)值模擬計(jì)算，給出了渠道凍脹過程中的溫度場(chǎng)與位移場(chǎng)，并對(duì)其進(jìn)行分析研究，得到了有限元模擬計(jì)算的保溫板厚度值;
　　(4)最后結(jié)合寧夏灌區(qū)實(shí)際情況，將試驗(yàn)法、理論計(jì)算法和ANSYS有限元軟件模擬等三種方法分別得到的保溫板厚

4、度值進(jìn)行優(yōu)選，給出了寧夏引黃灌區(qū)骨干襯砌渠道聚苯乙烯保溫板的合理厚度。
　　主要研究結(jié)論如下:
　　(1)渠道凍深、凍脹量、土壤含水率與渠道走向、渠坡位置有關(guān)。東西走向渠道，陰坡凍深、凍脹量均大于陽坡，渠底介于二者之間;南北走向渠道，邊坡凍深、凍脹量小于渠底;渠底含水率大于邊坡，陰坡含水率大于陽坡，土壤凍結(jié)期含水率大于凍結(jié)前，土體在最大凍深處含水率變化最為明顯;
　　(2)渠道凍深、凍脹量、土壤含水率分布與保溫板厚度有

5、關(guān)。渠道鋪設(shè)保溫板可明顯減小凍深，并且隨著保溫板厚度的增加，凍深逐漸減小，當(dāng)保溫板厚度達(dá)到某一數(shù)值凍深便不再發(fā)生變化，該數(shù)值與渠道走向、渠坡位置有關(guān);保溫板可明顯減小凍脹量，保溫板越厚，凍脹量越小;鋪設(shè)保溫板可以改善渠基土水分遷移變化，使得土體在凍結(jié)前后土壤含水率變化較未設(shè)置保溫板的土壤含水率小;
　　(3)經(jīng)過修正的理論計(jì)算結(jié)果可以用于寧夏灌區(qū)保溫板厚度的選取。其中，經(jīng)驗(yàn)公式法由于計(jì)算結(jié)果區(qū)間變化大，不建議直接用于工程設(shè)計(jì);熱工

6、學(xué)計(jì)算法中預(yù)留一定厚度凍土層的計(jì)算方法與實(shí)測(cè)值相接近，可以作為工程設(shè)計(jì)中保溫板厚度的初步確定;將相關(guān)比擬法安全系數(shù)調(diào)整為1.5，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較接近，可用于寧夏灌區(qū)保溫板厚度的初步確定;理論計(jì)算法的結(jié)果都需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整;
　　(4) ANSYS有限元軟件模擬結(jié)果可以作為渠道保溫板厚度選取的一個(gè)依據(jù)。根據(jù)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果可知，保溫板能夠有效改善凍土層溫度分布，隨著保溫板厚度的增加，相同土層溫度逐漸升高;對(duì)位移場(chǎng)模擬