冬季输水渠边坡混凝土衬砌层抗冻胀破坏验算方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种冬季输水渠边坡混凝±衬搁层抗冻胀破坏验算方法，应用于明渠 输水渠道的设计中，进行渠基±冻胀作用下边坡混凝±衬搁层的受力分析。
【背景技术】
[0002] 梯形混凝±衬搁渠道因其施工方便、维护修复简单和工程耐久性强的优点而被广 泛地应用输水工程中W达到提高明渠输水效率、增强渠道的防冲能力和改善水流条件的目 的。渠道的边坡混凝±衬搁层斜长是依据水力学条件来确定，衬搁层的厚度依据经验而定。 运种方法对于非寒区的混凝±衬搁渠道是适用的；而对寒区的混凝±衬搁渠道，既使考虑 冻胀作用的影响而特意加大了衬搁层厚度，但也会因渠基±的不均匀冻结膨胀变位致使衬 搁层产生裂缝、隆起和滑塌等破坏现象。运严重影响了工程效益的直接发挥。
[0003] 目前，对于冬季不过水的渠道混凝±衬搁层的厚度确定已有相应的方法，即对被 视为整体或板间较接的混凝±衬搁层进行的受力分析，据此进行衬搁层强度验算，该方法 中混凝±衬搁层下的法向冻胀力方向为坡面的外法线方向，而切向冻胀力是指向坡脚的， 与冬季输水渠道边坡衬搁层的冻胀力作用形式和范围有根本不同，完全不能用于冬季输水 渠道的混凝±衬搁层的强度验算。
[0004] 冬季输水渠道边坡混凝±衬搁层的抗冻胀力的验算方法才见报道，已报道方法所 采用的力学模型为:边坡混凝±衬搁层下受指向坡顶的切向冻胀力和方向与坡面外法线方 向一致的法向冻胀力，两者都为均匀分布。该力学模型中没有考虑到输水渠边坡双向冻结 及混凝±衬搁层与渠基±变形相互作用的影响。
【发明内容】
[000引本发明针对现有技术不足，提出一种用于冬季输水渠边坡混凝±衬搁层抗冻胀破 坏验算方法。在考虑渠坡双向冻结、衬搁层与渠基±变形协调等影响情况下建立抗冻胀破 坏能力验算的力学模型，W更贴近实际的力学模型进行抗冻胀破坏验算，W确保衬搁层具 有足够厚度，保证渠道的安全可靠的运行，最大程度地发挥工程效益。
[0006] 冬季，渠中水位面W下的边坡混凝±衬搁层和其下±体因受渠道中溫度为0°CW 上的渠水保护，溫度维持在〇°C W上，±体无冻结，水下部位的混凝±衬搁层无变位;而水位 面W上的边坡混凝±衬搁层暴露在大气中，在大气负溫的作用下，水位面W上部位的混凝 ±衬搁层下的含水±层冻结膨胀，此部位的混凝±衬搁层就有了沿坡面向坡顶和垂直坡面 向渠内的位移趋势，致使边坡混凝上衬搁层为一拉弯的构件。
[0007] 渠堤下层±体不冻结而上层±体的冻结膨胀作用使边坡衬搁层绕坡脚有角位移， 水位面下的衬搁层与渠基±局部分离，水位面W上渠基±属于双向冻结，且冻胀是垂直于 冻结锋面的，所W边坡衬搁层下±体各点的垂直于衬搁层面的法向冻胀量是不等的，水位 面附近的法向冻胀量(最大）大于坡顶处的，但角位移后的混凝±衬搁层下表面仍保持平 面，即在水位面处的法向位移(最小)较坡顶处的小，参见图1。运样，渠基±冻结段内的边坡 衬搁层与其下±体变位不协调，两者要分离，而最初冻结为一体的渠基±和混凝±衬搁层 之间就产生了相互的约束，边坡混凝±衬搁层受到了冻结±体作用的、方向与坡面内法线 方向一致的法向冻胀力。冻胀部位混凝±衬搁层的法向位移与渠堤±的法向冻胀量之差在 水位面为零、坡顶处最大，因而坡顶的法向冻胀力最大。
[0008] 沿坡面指向坡顶方向的切向冻胀位移与法向冻胀位移相类似，坡顶的切向冻胀位 移大于水位面处的，混凝±衬搁层受到指向坡顶的切向冻胀力在水位面处较坡顶处小。
[0009] 当冻结±体能够约束边坡混凝±衬搁层的变位时，即两者冻结为一体，换言之，边 坡混凝±衬搁层与冻结±体未分离，此时，坡脚处为较支座、水位面处为活动较支座的边坡 混凝±衬搁层除了受到水压力和自重外，冻胀区内还受有方向与坡面内法线方向一致的法 向冻胀力和指向坡顶的切向冻胀力，两者均为Ξ角形分布，坡顶处为最大值。
[0010] 若冻结±体不能约束边坡混凝±板的变位时，即两者分离，坡脚处为较支座、水位 面处为活动较支座的边坡混凝±衬搁层仅受水压力和自重，此时边坡混凝±衬搁层为一受 弯构件。
[0011] 边坡混凝±衬搁层在上述两种情况下都要有足够的厚度，W免发生强度破坏，保 证渠道安全正常运行。
[0012] 基于上述，本发明采用了如下的技术方案： 一种冬季输水渠边坡混凝±衬搁层抗冻胀破坏验算方法，对于无水平缝的渠边坡混凝 ±衬搁层，将渠边坡的混凝±衬搁层视作坡脚处为固定较支座、水位面处为活动较支座的 构件，建立渠边坡混凝上衬搁层抗冻胀破坏验算的力学模型，按构件的横向弯曲作用或/和 拉弯组合作用产生的应力与混凝±的轴屯、抗拉强度比较来判断边坡混凝±衬搁层能否抵 抗冻胀作用产生的破坏。
[0013] 所述的冬季输水渠边坡混凝±衬搁层抗冻胀破坏验算方法，通过应用所述力学模 型在考虑渠内各水位下渠基上冻胀作用的两种效果下进行边坡混凝上衬搁层抗冻胀破坏 验算： 第一种情况为边坡混凝±衬搁层在水位面W下部位的上表面受到水压力的作用，在水 位面W上部位的下表面受冻胀力的作用； 第二种情况为边坡混凝±衬搁层仅在渠内水位面W下部位的上表面有水压力的作用。
[0014] 所述的冬季输水渠边坡混凝±衬搁层抗冻胀破坏验算方法，若水位面W上部位的 边坡混凝±衬搁层能够约束冻结的渠基±膨胀变位，则渠基±对边坡混凝±衬搁层的切向 冻胀力和法向冻胀力均是W渠水位面处的值为零、渠顶坡处为最大值的线性分布； 若水位面W上部位的边坡混凝±衬搁层不能够约束冻结的渠基±膨胀变位，则渠基± 无冻胀力作用于边坡混凝上衬搁层，仅使边坡混凝上衬搁层向渠内发生角位移，衬搁层局 部范围的下表面与其下±体分离。
[0015] 所述的冬季输水渠边坡混凝±衬搁层抗冻胀破坏验算方法，渠基±对边坡混凝± 衬搁层的冻胀力是W沿坡面指向坡顶的切向冻胀应力和方向与坡面内法线方向一致的法 向冻胀应力的形式作用于渠内水位面W上部位衬搁层的下表面。
[0016] 本发明产生的有益效果： 1、本发明冬季输水渠边坡混凝上衬搁层抗冻胀破坏验算方法，考虑了渠坡双向冻结及 混凝±衬搁层与渠基±变形相互作用影响，建立了冬季输水渠道边坡混凝±衬搁层抗冻胀 破坏验算的力学模型，弥补了目前季节冻±区混凝±渠道冬季输水情况下边坡混凝±衬搁 层抗冻胀破坏能力验算方法存在的不足。
[0017] 2、本发明冬季输水渠边坡混凝±衬搁层抗冻胀破坏验算方法，在考虑渠坡双向冻 结、衬搁层与渠基±变形协调等影响情况下建立抗冻胀破坏能力验算的力学模型，W更贴 近实际的力学模型进行抗冻胀破坏验算，W确保衬搁层具有足够厚度，保证渠道的安全可 靠的运行，最大程度地发挥工程效益。
【附图说明】 [001 引 图1:冬季输水渠道边坡混凝±衬搁层冻胀时变位图； 图中，潑渠堤±为正溫，即该区域内±体未冻结，袋渠堤±为负溫，即该区域内±体已 冻结，1渠基±冻胀实际表面线；2渠基±未冻胀表面线；3冻结前锋线;4未冻胀前衬搁层 位置;5渠水位;6冻胀后衬搁层位置； 图2:冬季输水渠道冻±和衬搁层未分离时边坡混凝±衬搁层受力图； 图3:冬季输水渠道冻±和衬搁层分离时边坡混凝±衬搁层受力图； 图中，q为法