寒区WOH新型渠系材料防渗抗冻胀机理研究

寒区寒区WOHWOH新型渠系材料防渗抗冻胀机理研究新型渠系材料防渗抗冻胀机理研究 淡水资源是有限的 节约用水迫在眉睫 随着城市化进程不断加快 工业用水和生活用水大幅上升 农业用 水势必减少 影响农业生产 不利于解决 三农 问题 1 为解决威胁人类生存的缺水问题 世界各国都积极采取措施保护水 资源 建设节水型社会 发展节水型农业 2 渠道是多数农田灌区的主要输水手段 农田灌溉输水的浪费绝大多 数是在渠道输水过程中损失的 因此 渠道输水灌溉的关键是做好渠道防渗 做好渠道防渗工程是 发展节水农业 实现农业高效用水的关键环节 通过修建渠道防渗工程 使渠系水的利用系数得到很大提高 同时也应注意所有这些防渗工程都存在不同程度的毁损 尤其以东 北的永久性冻土地区和华北西北的季节性冻土地区的渠道冻胀破坏 最为严重 这无疑是增加了维修和运营的成本 所以在渠道中运用一种较简便可行 防渗抗冻性能良好的防渗措施 极为重要 1 2渠道防渗材料研究的背景及现实意义我国水资源总量约为2 8万 亿m3 居世界第六位 3 但我国人均水量只有世界人均占有水量的 30 左右 4 我国水资源地区分布不均匀 水资源的分布与人口 耕地的分布不 相适应 我国北方人口占全国总人口的2 5 淡水资源占有量不足全国水资源 总量的1 5 另一方面 北方耕地面积占全国耕地面积的3 5 西北 地区缺水更加严重 水资源量不足全国水资源总量的10 农业用水短缺严重影响北方农业经济发展 农业生产作为我国的用水大户 年用水量约为3860亿m3 农业用水 量比重从80年代初的80 下降到目前的70 左右 其中灌溉用水量为3 560亿m3 占农业总用水量的92 占全国总用水量的64 5 农业用水供需矛盾尤为突出 干旱缺水成为制约我国农业发展的主 要因素之一 一方面缺水制约生产造成经济损失 而另一方面是用水浪费的现象 又普遍存在 青海大学硕士学位论文第1章绪论2目前 我国灌区主要采用渠道进 行输水灌溉 全国灌溉渠道总长度约为300万km 已建衬砌渠道工程55万km 仅占 渠道总长度的18 左右 6 也就是说80 的渠道没有采取防渗衬砌 灌溉水利用系数约为0 3 0 4 低于世界先进水平 7 这就是说灌 溉用水的60 70 将在渠道输水过程中流失 渠道在输水过程中只有一部分水通过各级渠道输送到田间被利用 另一部分水从渠底 渠坡的土壤孔隙中渗漏到土壤中 据统计 我国每年由灌溉渠道渗漏的水量为1734 6亿m3 占我国总 水量的33 占农业总水量的45 8 水资源浪费十分严重 由此可 见 采取渠道防渗措施尤为重要 有资料表明 9 如果按照我国灌溉水利用提高10 计算 我国将每 年可节约用水量344 5亿m3 可见 渠道防渗衬砌的节水潜力巨大 效益十分显著 而且对推动 西部农业发展和改善生态环境将发挥重要的作用 渠道防渗衬砌是目前应用最为广泛的节水灌溉工程措施 其就是为 了建立不易透水的防护层或防止渠床土壤透水而采取的各种工程技 术措施 适用于各级渠道 内蒙古河套灌区干 支 斗 农四级渠道的测试结果表明 10 渠 道水利用系提高了21 5 渠道防渗后的效果非常明显 采取渠道防渗衬砌措施不仅可以减少渗漏损失 节约用水 提高灌 溉渠系水的利用系数 扩大灌溉面积和增加灌溉亩次 还可以防止 渠道冲刷 淤积及坍塌 同时还能提高渠道输水能力 缩短输水时 间 提高灌溉效率 对节约土地资源 防止渠道两侧农田盐的渍化 避免渠道在草丛生 和减少输水过程的污染都有着十分重要的作用和意义 做好渠道防渗 能够有效地提高渠系水的利用系数 促进节水灌溉 农业发展 但在北方冻土地区和季节性冻土地区 由于受冬季负温影响 渠基 土反复冻融膨胀隆起沉降 造成混凝土衬砌板开裂 错位 坍塌等 不同程度的毁损 不但直接影响了渠道的正常使用 浪费了宝贵的水资源 而且增加 了维修费用和运行成本 严重影响了工程效益的发挥 如宁夏唐徕渠衬砌渠道 2 运行两年后冻胀破坏导致渠道坡脚混凝 土衬砌板被推开 上部衬砌板塌落下滑 严重影响了防渗节水和渠 坡稳定 经过多年试验研究 提出了 允许一定冻胀位移量 的设计标准 这些研究虽然取得了不少成果 但仍未妥善解决这一问题 因此 从北方冻土地区和季节性冻土地区渠道衬砌材料应满足防渗 和抗冻的双重需求出发 研究新型渠道衬砌材料尤为重要 可见 渠道防渗衬砌破坏特别是由于渠基土冻胀而造成的衬砌破坏 问题在我国的北方地区普遍存在 适应 消减以青海大学硕士学位 论文第1章绪论3至于完全消除基土冻胀已成为渠道衬砌实践中的一 个亟待解决的问题 1 3国内外渠道防渗抗冻胀技术研究概况1 3 1渠道防渗研究1 3 1 1 防渗材料传统的渠道防渗常用土料 水泥土 砌石 混凝土 膜料 和沥青混凝土等 11 作为防渗材料 近年来出现了一些渠道防渗的新材料 主要有纳米改性混凝土 新 型伸缩缝止水材料 新型土工复合材料 新型土壤固化剂等 1 土料夯实防渗土料夯实防渗即以粘性土 粘沙混合土 灰土 三合土或四合土等材料夯后作为渠床防渗层 有资料记载 12 土料防渗的防渗效果为0 07 0 17m3 m2 d 这种方法易就地取材 施工简便 但缺点是抗冻性差 难以抵挡水 流冲刷 耐久性能差 2 水泥土防渗水泥土由水泥 土料和水拌和而成 其防渗机理类 似于砂浆和混凝土 主要靠水泥和土料胶结硬化达到防渗效果 由于水泥土中土料所占比重较高 因此工程造价较低 料源丰富 施工简便 但抗冻效果较差 不适于北方寒冷易发生冻胀的地区 3 砌石防渗砌石防渗按照材料及砌筑的方法分为干砌卵石 干砌 块石 浆砌料石 浆砌块石 浆砌石板等多种 砌石防渗适用于石料丰富的地区 抗水流冲刷 防渗和抗冻胀性能 较强 但难以进行机械化施工 所需劳力多 施工质量难以控制 4 混凝土防渗混凝土防渗是目前国内外广泛应用的一种渠道防渗 技术 按施工方式可分为现场浇筑 预制铺设和喷射 薛洁 13 对上述三种施工方式做了研究后认为 其防渗效果依次为0 04 0 14m3 m2 d 0 05 0 16m3 m2 d 和0 06 0 17m3 m2 d 允许流速大 防渗效果较好 抗冲击性能和耐久性强 但混凝土 衬砌适应变形的能力差 青海大学硕士学位论文第1章绪论4 5 膜料防渗膜料防渗就是用塑料薄膜来防止渠道渗漏 我国主要采用聚乙烯和聚氯乙烯塑料薄膜防渗 其优点是防渗能力强 能减少90 以上的渗漏损失 14 国外在20世纪50年代开始研究膜料防渗 我国20世纪60年代在河南 省胜利渠和陕西省渭高干渠上采用膜料防渗 质量轻 运输便利 不受地域等优点使得膜料防渗得到广泛应用 目前广泛应用的有聚乙烯 聚氯乙烯及其改性膜料 聚氯乙烯复合 防渗布和沥青玻璃丝布油毡等 但是由于膜料较薄 易老化 在施工中容易被刺穿会使得防渗效果 大大降低 影响了使用寿命 6 沥青混凝土防渗将沥青作为胶结材料 与矿粉 矿物骨料经过 加热 拌和 压实而形成的防渗材料 国外很早就将此项技术应用于大坝防渗工程上 我国于70年代经过 在陕西 青海 山东等省区应用沥青混凝土渠道防渗工程技术试 验证明 沥青混凝土防渗效果好 低温状态下仍能表现出一定的柔 性 抗冻能力强 是一种理想的防渗工程材料 但由于常常受到原 料不足的影响 所以很难进行推广应用 7 改性纤维混凝土即在普通混凝土中掺加改性聚丙烯纤维的混凝 土材料 由于纤维在混凝土材料内部各方向上的均匀分布 对材料 整体产生微加筋作用 提高了混凝土材料的韧性 改善了混凝土的 抗裂 防渗和抗冲刷性能 从而改善了混凝土的整体性能 进一步 提高了混凝土的抗冻胀能力 使渠道更好的适应冻胀变形 满足渠 道建设的需要 15 16 8 伸缩缝止水材料伸缩缝是混凝土防渗渠道主要漏水通道之一 是渠道防渗工程中容易产生渗漏的发生点 目前 对于聚氨酯类接缝材料的研究已成为接缝材料研究的热点和 重点 国外发达国家非常重视止水材料的研发 Safuku 17 采用了 高级脂肪酸酯改性的CaCO3 该胶具有良好的变形能力和粘结能力 Takahashi 18 合成了含聚丙烯酸酯端异氰酸酯的聚氧化烯烃 聚氨酯 与 异氰酸酯烷基烷氧基硅烷 聚乙二醇二酯 二吗啉代乙醚组成了液 体密封材料 CKWitco公司 19 研制出了热稳定性 伸长率 耐剥离强度很高的湿 固化密封胶 9 土工复合材料新型土工复合材料是由土工织物或其它材料与土 工膜结合而成的新型复合青海大学硕士学位论文第1章绪论5材料 分 一布一膜 和 两布一膜 两种 目前国内外膜料主要分为聚乙烯和聚氯乙烯两种 复合土工膜是理想的防渗材料 具有适应变形能力强 防止抗冻破 坏等特点的柔性材料 在木兰县香磨山灌区和安庆县和平灌区采用复合土工膜与现浇混凝 土板或预制混凝土板相结合的方法 均取得了良好的效果 聚乙烯材料由于自身的性质更适合在冻胀区防渗渠道中应用 20 21 10 土壤固化剂土壤固化剂在我国研究起步较晚 国外在20世纪7 0年代由于工程建设需要对土体改良进行了深入研究 各国研究人员 研制出了多种土壤固化剂 Bobrowski 22 研制出了一种对软基土加固效果良好的离子类土壤固 化剂 Puppala等 23 提出向加固土中掺加聚丙烯纤维 减少土体的 收缩和膨胀 Miller 24 研究了水泥窖粉尘加固土壤性能 我国20世纪90年代将土壤固化剂应用于渠道防渗工程中 取得了较 好的效果 25 证明固化剂用于渠道防渗工程具有可就地取材 施工简单方便 防 渗效果较好等优点 1 3 1 2防渗结构采用合理的防渗渠道衬砌结构可有效地适应 削减 冻胀 过去在渠道工程中多采用梯形或矩形 近年来各地区因地制宜 结 合工程具体条件 研究和推广应用了有混凝土等厚板 板膜复合 板保温材料复合 板与砂砾石垫层或砌石与砂砾石垫层复合等结构 形式 近年来为了提高渠道防渗抗冻胀效果 国内外研究都趋于从单一衬 砌形式向复合结构衬砌形式发展 例如使用苯板做保温层 土工膜 料做防渗层 再用刚性材料做保护层等结构形式 由于采用复合结构衬砌产生的冻胀裂缝相对减少 目前己在国内许 多灌区中应用 取得了较好的效果 26 因此 今后渠道防渗衬砌将会更多的选择采用复合结构衬砌形式 渠道断面结构的选择也影响着渠道冻胀的破坏程度 目前中小型渠 道以U型渠为最佳 大型渠道采用弧底梯形 弧形坡脚梯形渠 青海 地区多采用反弧形底板 在选择渠道断面结构形式要因地制宜的选择对抗冻胀有力的断面形 式 但这些断面结构在工程实际当中仍然存在不同程度的冻害 1 3 2渠道抗冻胀技术措施渠道的冻胀破坏的基本条件是负温 土质 和水分 负温是基土发生冻胀的青海大学硕士学位论文第1章绪论6 外因 土质和水分是基土发生冻胀破坏的内因 渠道发生冻胀的主要原因是渠基土冻胀 融沉产生的内在因素 27 2 8 由于青海省地处青藏高原 属季节性冻土区 自然条件 土壤 状况和地下水条件不同 且同一渠道土质也各异 因此 针对北方地区同一冻害 应研究防渗渠道的抗冻胀技术 29 同时也应采用多样化防治 单一措施难以实现 有效的冻害防治措施应立足于当地多变的实际条件 应因地制宜采 取相应的技术措施 目前工程实践中常用的解决渠道冻胀问题的措施不外乎改善渠床基 土的土壤条件 渠床水分条件和渠床的温度条件 削减冻胀产生 适应冻融循环 1 3 2 1改善渠床基土条件 1 渠基土换填渠道基土的换填就是将非冻胀或不易发生冻胀的土 质 如砂砾石垫层 代替原有渠床基土的一种措施 在同样的负温条件下 使渠基土的含水率小于发生冻结的含水率 这样渠基土的冻胀变形就会减小 从而降低土壤冻胀对渠道衬砌的 破坏程度 同时又改善了衬砌层与渠基土之间的约束条件 衬砌层 可自由伸缩 避免温度裂缝的出现 渠基土换填的深度应大于当地最大冻结深度的2 3 才能很好地防止 渠床基土的冻胀 30 由于换填工程量较大 合理应用本地资源尤为重要 位于内蒙古的河套灌区利用聚丙烯纤维砂袋代替冻胀性土壤进行了 防冻胀实验 10 防冻效果在90 以上 2 渠基土夯实措施夯实土壤可以使土体干密度增加 降低孔隙率 减少透水性 达到饱和时 一定程度上能使土的冻胀性随干密度 的增加而下降 黑龙江水科所的试验研究证明 31 夯实措施能使土壤的孔隙率降 低 干密度增加 削减渠基土冻胀发生的可能性 3 化学固化渠基土措施化学处理渠床基土是将憎水性物质掺入基 土中 使基土中水的冰点降低 或者增强土的耐水性 从而达到削 减土体冻胀的目的 本文研究的W OH溶液就是运用此种方法 将溶液喷洒在渠基土表层形成固结层 防止水分渗入渠床 从而削减土的冻胀特性 也可将氯化钙等化学材料埋入渠基土中 使土中水的冰点降低 使 冻结很少发生从而大大减轻或消除冻胀 32 青海大学硕士学位论文第1章绪论71 3 2 2改善水分条件 1 排水措施地下水 毛细管水充足的渠基冻土层 为防止渠床基 土冻胀破坏在其土层下设置暗管排水系统 能够降低地下水位和渠 基土含水量 把渠床冻结层中的渠道渗水排出渠外 减少渠床基土 表层的水分补给 也是一种防止冻胀破坏的有效方法 33 2 隔水措施隔水措施一方面是防止地表水入渗 另一方面是防止 渠道输水渗漏提高基土的含水量 要防止地表水入渗 可采用埋藏式隔膜 如塑料薄膜 复合土工膜 沥青油毡等防渗膜料 隔断地下水对基土的水分补给 从而消弱 冻胀 当渠道有渗漏时 隔膜底部应预留渗水孔 使重力水渗入底土层 垂直铺塑防渗技术也是一种较好的隔水措施 垂直铺设膜料可以封堵渗漏孔隙 使得水分从膜料下方的含水层渗 流 水分向渠道侧向基土补给减少 从而削弱冻胀产生 冯有亭 34 对垂直铺塑防渗技术的材质要求进行了详细介绍 1 3 2 3改善温度条件 1 改善衬砌材料导热性质在混凝土拌合过程中 加入一些改善混 凝土衬砌板导热性质的材料 可以生产出具有保温隔热作用的衬砌 材料 常见的有聚苯颗粒 水泥聚苯板 稻壳水泥混凝土保温板 膨胀珍 珠岩混凝土保温板等 谢琼 35 对稻壳混凝土的配合比 保温性能等进行了研究 赵明星 36 对玻化微珠保温砂浆进行了研究 认为少量乳化沥青掺入到保温 砂浆中 可以提高保温砂浆的抗折强度 对抗压强度也有一定的改 善 2 铺设保温材料将具有良好保温效果的材料置于刚性衬砌体背后 及土体表面 利用保温材料导热系数低的性能阻止或者削弱渠基土 与外界的热交换 改善渠基土的负温条件 从而达到削减冻胀破坏 的目的 37 山东采用聚苯乙烯泡沫板衬于混凝土板下用于引黄济青水渠 38 内蒙古河套灌区 10 西济支渠采用聚苯乙烯硬质泡沫板保温 保温 防冻胀效果良好 研制出一种塑膜软包装膨胀珍珠岩 39 冬季无冻胀现象发生 抗 冻胀效果明显 青海大学硕士学位论文第1章绪论81 3 3渠道冻胀理论研究进展1 3 3 1冻胀机理方面冻土的冻胀机理相关研究很多 毛细理论提出后 被称为第一冻胀理论 曾一度被广为接受并很快 发展 40 41 Everett 42 首先根据毛细理论分别对冻胀和冻胀力进行定量的解释 和估计 随后 Miller 43 44 提出冻结缘理论 即在冻结锋面和最暖冰透镜 底面存在一个低导湿率 低含水量和无冻胀的带 冻结缘理论克服了毛细理论的不足 被称为第二冻胀理论 周池绪 45 对U形渠道在高寒地区抗冻胀性能研究后认为 U形渠道 下部的半圆土槽处于稳定状态 上部直线段土壤侧压力较小 混凝土砌体下部为反拱 整体性较好 在渠基土壤冻胀力作用下能 适应整体上抬 能充分利用混凝土良好的抗压性能 其适应基础冻 胀的性能显然较梯形为佳 李金玉 46 研究了混凝土冻融破坏机理 刘鸿绪 47 用层状空间半无限直线变形体的力学分析 即双层地基 的理论计算来解决季节冻土地区的法向冻胀力的问题 余书超等 26 对渠道刚性衬砌层冻胀受力进行试验后认为 渠道边 坡衬砌层的冻胀力平行于衬砌层的切向冻胀力 该力的大小 正负 关系及渠基基土的含水率与渠道横断面的高度有关 渠道边坡衬砌层 与渠基冻土层之间的冻结约束是边坡衬砌层受冻胀力的必要条件 张伯平 48 对衬砌渠道冻胀破坏机理进行了研究 张茹 49 建立了大型U混凝土衬砌渠道非对称冻胀破坏的力学模型 并应用大型通用有限元分析软件将渠基冻土视为各向同性的线弹性 材料 把冻土和衬砌体作为一个整体 通过对大型U形混凝土衬砌渠 道冻胀进行热应力耦合数值模拟分析 得出其温度场 变形场和应 力场分布 获得大型U形混凝土衬砌渠道冻胀受力及变形基本规律 为大型U形混凝土衬砌渠道防渗抗冻胀设计提供了科学的分析方法 陈涛 50 等通过对大U形渠道的冻胀观测试验 对衬砌的气温 地温 渠基土的含水率 冻深以及衬砌的冻胀变形量等实验数据统计比 较 分析了渠道衬砌的主要破坏时段和破坏部位的分布规律及其形 成原因 王正中 51 分析了弧底梯形混凝土衬砌渠道冻胀破坏机理及破坏特 征后指出 弧底梯形渠道混凝土衬砌整体结构的计算简图是在法向 冻胀力 切向冻结力和重力共同作用下的薄壳拱形结构 就局部受 力来看属压弯组合变形问题 王正中通过恰当假设及简化 提出了弧底梯形渠道混凝土衬砌结构 冻胀破坏的力学模型 得出了冻胀控制内力及最大拉应力的计算公 式 并结合混凝土板抗裂条件 给出了青海大学硕士学位论文第1章 绪论9胀裂部位 衬砌板厚度及抗冻胀破坏验算的一系列计算方法 并从理论上阐明了弧底梯形混凝土衬砌结构因法向冻胀力数值小 分布均匀 恢复力大 因此 整体适应变形及抗冻胀能力强 从而 更优于梯形断面的原因 但该模型的求解仍然通过经验或实验的办法来解决 1 3 3 2本构关系方面在应力 应变本构关系上 Arenson 52 等对冻土流变特性及其对温度 含水 量以及荷载等因素进行了研究 Lunardini 53 对正冻土融土中的热传导进行了系统地分析 Konard 54 提出了一个描述水分迁移的模型 Dennis 55 对基土冻结过程 进行了深入的试验研究 Graham和Au对原状粘土的试验表明 56 经冻融循环后土样原有的 结构性受到很大的破坏 土的固结压力大大减小 Leroueil和Tardif等 57 的试验表明 原状粘土的应力 应变曲线中的峰值经过冻融循环后 不再那么明显 Viklander 58 提出了残余孔隙比的概念 即松散土和压实土经过冻 融循环后都趋向一个稳定的孔隙比 土壤的力学特性也发生了相应 的变化 沈忠言 59 等研究了围压作用对引起的冻土冰点下降和冻土孔隙冰 以及未冻水含量变化对冻土力学性质的影响 马巍等 60 61 通过对冻土的三轴蠕变试验 提出了冻土蠕变及蠕变 强度随时间降低的方程式 进而提出了冻土蠕变强度的抛物型屈服 准则 且剪应力明显影响冻土的体积变形 齐吉琳等 62 63 研究了冻融作用对土结构性及强度的影响 张立新等 64 65 利用核磁共振仪 测定了冻土不同压力和温度的未 冻水含量之间的关系 发现不同温度的未冻水含量随压力的增大而 增大 冻结温度随压力增大而呈线性降低趋势 崔广心 66 等系统地测定了在不同条件下冻土的冰点与压力和含盐 量等影响因素之间的关系 为验证克拉珀龙方程在冻土物理学中的 适用性提供了实验依据 苗天德等 67 从现代损伤力学方面研究了冻土蠕变同其微结构变化 的关系 在实验和微结构观测基础上 选择了描述冻土微结构变化 的损伤内在变量 建立了内变量演化方程 提出了冻土蠕变的一般 损伤理论 张蔚等 68 在参考金属蠕变过程研究中发展损伤力学模型 建立了 一般应力状态下微裂隙的形成和发展 影响冻土蠕变过程力学行为 的损伤力学模型 得出了冻土破坏时间依赖于应力的具体函数关系式 王正贵等 69 通过对冻土蠕变的现象分析得出 冻土蠕变的破坏是 由于冻土中非弹性变形积累的结果 并给出了一种表述冻土蠕变的 渐进屈服准则 同时还得出了冻土蠕变全过程的蠕变方程 李洪升等 70 运用断裂力学理论和方法 研究冻土受青海大学硕士 学位论文第1章绪论10力过程中断裂的发生 发展和破坏机理 并建 立了全新的冻土破坏准则 徐学燕等 71 根据大量低温三轴应力 应变实验资料给出冻土的动 弹模量 动泊松比 动剪切模量 动阻尼比的数值及它们与冻土温 度 振动频率的关系 何平等 72 73 依据连续介质力学和热力学原理 建立了冻土粘弹塑 性损伤耦合本构理论 王正中 沙际德等 74 根据冻土的特点通过大量实验结果证实冻土 属正交各向异性材料 王正中 袁驷等 75 进一步指出冻土属横观 各向同性材料 宁建国等 76 基于各向同性复合材料细观力学理论建立了含有损伤 的冻土本构模型 宁建国等 77 将复合材料微观力学的方法引入到 冻土力学性质研究 研究了冻土材料的弹性常数与其组分相的弹性 常数之间的关系 杨更社等 78 利用CT扫描技术对不同冻结温度条件下岩石内部的细 观损伤扩展机理 水分迁移 冰的形成及其损伤结构的变化进行了 研究 1 3 3 3数值模拟方面随着冻胀机理不断深入研究 通过建立计算机 数值模型 以解决冻土区冻胀 成为时代发展的必然要求 Harlan 79 首先提出水热耦合模型 Harlan认为水分迁移的动力是 土壤水势影响 并考虑水分在迁移过程中所携带的热量 Taylor 80 与Luthin的模型直接应用在冻土中 未冻水含量梯度作 为水分迁移的驱动力 如果在土壤水势中仅考虑基质势 则对特定的土壤和过程 基质势 可以用来表示含水量的单值连续函数 此时 Harlan模型和Taylor与Luthin模型是完全相同的 Harlan模型和Taylor与Luthin的模型 较成功地解释了一维水分迁 移现象 这些方法是基于冻土中的热量迁移来进行数值模拟 统称为水动力 学模型 70 80年代水动力模型主要采用有限差分法 对土体冻结过程中的水流 和温度进行预报 水动力学模型的共同之处是只假设当含冰量达到临界值时会发生冻 胀 不连续的冰透镜体的形成没有讨论 也不考虑外部荷载 后来的研究者虽然提出土水势由重力势 温度势 基质势等组成 并对此进行了研究 但在冻融土水分迁移计算中如何综合确定土水 势 仍是一个难题 而且上述模型仅适用于一维情况 对冻土的二 维水分迁移是不适用的 80 90年代 Kujala K 81 采用分析求解和有限元法的分凝势模型 对土体冻结过程中的 水流 冰分凝 冻胀和温度进行预报 采用的主要参数是土水势 孔隙度 渗透系数 未冻水含量与温度关系 导热系数和热容量等 Kujala K把分凝势定义为水分迁移通量与通过冻结缘的温度梯度的比值 根 据相平衡的热力学原理 冰透镜处产生的负压和青海大学硕士学位 论文第1章绪论11由于冻结缘低渗透性引起水流的受阻是产生驱动势 的原因 李萍等 82 研究者发现分凝势模型适合应用于温度梯度是已知的条 件下 对于非稳定热状况条件 分凝势并不是常数 不应再用分凝 势模型解决冻胀问题 刚性冰模型假设冻结缘中的冰与正生长的冰透镜体紧密的连在一起 当冻胀发生时 孔隙冰能通过微观的复冰过程移动 因此 冻胀 的速度应与刚性冰体的移动速度相等 但是大量的物理参数 如冻结 缘中的应力比例因子 未冻水含量和导湿系数 需要确定 因此应用 有一定的限制 90年代以来 热力学模型开始提出 采用有限元法对应力 应变 水 流和温度进行预报 主要采用杨氏模量 泊松比 蠕变定律的6个参 数 导湿系数 导热系数和热容量等 但热力学模型只用热力学理 论描述微观冻胀机理 并不能解决实际应用 因此热力学模型的研 究还需深入 在这些模型中 外荷载仅作为影响冻胀的一个因子考虑 并没考虑 因加载 冻胀和蠕变等引起的应力场和位移场的变化 在这些模型中 外荷载仅作为影响冻胀的一个因子考虑 并没考虑 因加载 冻胀和蠕变等引起的应力场和位移场的变化 中国矿业大学建立了变边界应力和移动边界位置的水分迁移方程 按一维条件 将水 温度 应力 位移的耦合问题进行了研究 采用 准耦合的处理方法 忽略水分迁移影响 对二维温度 应力 位移 场的耦合问题进行了数值分析 83 安维东等 84 进行了土冻结过程中水热力耦合问题的初步分析 并 给出了一维冻结土的实例 刘雄等 85 利用模型对冻土与衬砌相互 作用三场耦合做了有限元数值计算 许强 86 等将冻土作为各向同 性线弹性材料 对梯形渠道的温度场 位移场和应力场进行了有限 元分析 但是自编程序 前后处理复杂 功能有限 难以在工程上 推广 李宁 陈飞熊等 87 建立了全面考虑冻土中骨架 冰 水 气四相 介质水 热 力与变形耦合作用的数理方程 并在引进国外大型岩 土工程分析软件的平台上 开发出了饱和与准饱和冻土介质温度场 水分场 变形场三场耦合问题的有限元分析软件 在这些模型及应用中 把冻胀效应近似按经验估算的冻胀力加到衬 砌体上 这样一方面冻胀力难以准确计算 另一方面无法反映冻土 与建筑物的相互作用过程和机理 没有考虑由于加载和冻胀等引起 的应力场 位移场变化 青海大学硕士学位论文第1章绪论121 4存在的问题截止xx年 青海 省有效灌溉面积425 24万亩 实际灌溉面积251 23万亩 干渠总长7 9652 40公里 已衬砌10342 16公里 衬砌率为12 98 支渠总长10 013 09公里 已衬砌2753 03 衬砌率为27 49 斗渠总长9173 48 公里 已衬砌2026 16公里 衬砌率为22 09 就全省而言 灌溉水利用系数在44 7 左右 水利用效率极低 几十年来的实践经验表明 渠道采用单一材料防渗衬砌对非寒区是 行之有效的 但对寒区却难以满足防渗防冲和防冻胀破坏等多项需 要的要求 特别是冻胀问题更为突出 二十世纪八十年代以来 人们通过不断地探索 创建了一类用刚性 材料和柔性材料相结合的复合衬砌的防渗渠道 目前在寒区有较快 的发展 这类渠道的特点是 衬砌层的材料刚柔相济 较好地发挥刚柔两种 材料的性能 为满足渠道防渗防冲等多项要求开避了一条新的途径 代表了渠道防渗衬砌技术的发展方向 但是 目前复合衬砌层中铺在混凝土板下的柔性膜料能否真正起到 防止混凝土板冻胀的作用在理论上没有证实 膜料的耐久性和抵抗 外力破坏的性能达不到要求是显而易见的 这些关键性的问题急待 解决 青海大学硕士学位论文第2章研究目的 内容与方法13第2章研究目 的 内容与方法2 1试验目的青海省位于高寒干旱地区 对于渠道防 渗抗冻胀的技术要求很高 采用砂砾石垫层换基把冻胀性土换成非冻胀性土 如砂砾料 改变 基土条件 减少或消除冻胀 但是换填厚度大 当换填材料运距较远时 造价较高 同时清除了 渠基原土 换填后的砂 戈壁难以进行夯实 难以达到施工规范要 求 造成渠基不稳定 难度较大 换填料的质量难以把握 由于渠道衬砌对材料提出较高的防水要求 因此本文采用新型有机 材料W OH溶液作为防水材料 该溶液与水反应生成环保型的具有防渗和抗 冻特性的胶结体 结合渠道建设中传统的经验 利用渠基土外涂防水材料和掺入W OH材料的砂浆以满足渠道防水防冻的要求 通过一系列试验应用效果观测研究新型渠系防渗材料的性能 主要 包括W OH材料的抗压强度 拉伸强度 耐老化性能 抗冻性能及微观结构 变化等 在研究的基础上提出满足不同工程标准配比 为完善W OH材料在不同施工条件下施工的施工工艺及材料的推广应用提供理 论依据 为青海省和全国寒区的灌区改建提供新的技术资源 为水 资源利用效率的进一步提高提供技术保障 开拓灌区渠道建设新的 篇章 2 2研究内容为实现上述目的 确定了以下研究内容 1 W OH溶液固结土壤性能研究通过研究W OH溶液在青海省主要土壤类型 主要是砂土和黄土 上的喷涂试验 对固结层的力学性能 防渗性能和抗冻性的影响 确定两类土壤 类型中合适的掺量 2 W OH砂浆的配合比设计通过研究W OH溶液对砂浆的力学性能的影响 在对W OH砂浆进行初步试验的基础上 重点研究W OH溶液浓度掺量对砂浆力学性能的影响规律 确定主要和次要因素 为日后的试验研究奠定基础 W OH砂浆的耐久性研究 主青海大学硕士学位论文第2章研究目的 内 容与方法14要包括W OH溶液浓度掺量对防渗性 抗冻性的影响规律 确定W OH溶液浓度掺量与砂浆配和比的综合性能 3 机理研究 通过对试样进行电镜扫描分析和EDS能谱分析 进行机理探讨 2 3研究方案2 3 1研究思路采用实验室试验和野外试验相结合的方 法 首先采取对砂土和黄土两种土壤的喷涂试验确定W OH溶液的配合比 研究W OH溶液对土壤固结层性能的影响 其次利用W OH溶液本身的防水性能与砂浆混合形成刚性衬砌体 通过研究W OH溶液对混合砂浆的抗压 抗折 防渗性及抗冻性影响规律 以期 获得能用于渠道衬砌的新型材料的最优配合比 2 3 2数据处理本文试验试验数据使用EXCEL及SPSS数据处理软件进 行统计分析与图表制作 试验结果分析采用方差分析和回归分析两种方法2 3 2 1方差分析Fi sher根据偏差平方和加和性原理 将总变异剖分为各个变异相应部 分 从而发现个变异原因在变异中相对重要程度的一种统计分析方 法称为方差分析 方差分析