季節(jié)凍土占中國(guó)國(guó)土面積的一半以上,位于季凍區(qū)的渠道隨著季節(jié)變換和通停水的周期變化,會(huì)經(jīng)歷濕潤(rùn)—干燥—凍結(jié)—融化（簡(jiǎn)寫(xiě)為濕干凍融或者WDFT）的循環(huán)過(guò)程,從而造成渠道結(jié)構(gòu)的破壞。研制了一套可以在超重力場(chǎng)下模擬渠道濕干凍融反復(fù)作用的離心模型試驗(yàn)設(shè)備,該設(shè)備主要由干濕系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、模型箱、地面冷水裝置和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)等組成。干濕系統(tǒng)主要包括水位升降裝置、風(fēng)干裝置等,熱交換系統(tǒng)包括半導(dǎo)體熱交換裝置、空氣內(nèi)循環(huán)裝置等,模型箱采用內(nèi)外雙層隔熱結(jié)構(gòu),地面冷水裝置可以實(shí)現(xiàn)將30℃的常溫水快速冷卻至3℃～5℃以供熱交換系統(tǒng)使用,數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)包括干濕控制、熱交換控制、數(shù)據(jù)采集分析等。該套設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)在50g離心力場(chǎng)下渠道模型溫度在-40℃～30℃之間,渠基土體濕度在干燥—飽和狀態(tài)的準(zhǔn)確控制,為季凍區(qū)渠道的漸進(jìn)劣化破壞過(guò)程和機(jī)理研究提供了新的重要手段,并可推廣應(yīng)用到寒旱區(qū)的水利、交通等領(lǐng)域的工程科研當(dāng)中。 

【文章來(lái)源】：巖土工程學(xué)報(bào). 2020,42(07)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：8 頁(yè)

【部分圖文】：

北疆某供水總干渠典型氣象和運(yùn)行資料

凍融和干濕本質(zhì)都是由于水分的多少或形態(tài)的變化引起的工程問(wèn)題，而渠道作為輸水建筑物，受水分的影響最為直接和長(zhǎng)期。干濕和凍融的耦合循環(huán)和相互促進(jìn)勢(shì)必會(huì)造成膨脹土渠道更加嚴(yán)重的劣化破壞（見(jiàn)圖2），通水20 a的北疆季凍區(qū)供水工程總干渠已經(jīng)證實(shí)該現(xiàn)象[3]。目前，對(duì)于輸水渠道劣化破壞的研究主要采用室內(nèi)單元試驗(yàn)的方法進(jìn)行探索[4-6]，但由于應(yīng)力狀態(tài)和時(shí)間模擬等方面和實(shí)際情況差別很大，只能用作渠基土單元體在干濕或凍融循環(huán)作用下基本規(guī)律的探討[7-8]，而開(kāi)展渠道破壞的現(xiàn)場(chǎng)研究[9-10]周期長(zhǎng)，費(fèi)用高，難以普遍采用。因此，在室內(nèi)進(jìn)行輸水渠道劣化破壞的物理模型試驗(yàn)將是一種有效的研究方法。離心模型試驗(yàn)是用離心力場(chǎng)模擬重力場(chǎng)，既能克服小比尺模型的應(yīng)力差異過(guò)大，又避免了原位試驗(yàn)復(fù)雜耗時(shí)的難題，是近年來(lái)應(yīng)用日益廣泛的物理模型試驗(yàn)方法。諸多學(xué)者通過(guò)離心模型試驗(yàn)對(duì)渠道邊坡穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了一系列研究[11-13]，而用于模擬季凍區(qū)輸水渠道工程的離心模擬技術(shù)由于起步較晚，研究成果相對(duì)較少[14-15]。對(duì)此，筆者團(tuán)隊(duì)近10 a來(lái)開(kāi)展了大量的科研工作[16-20],2014年研發(fā)了首套專用于渠道凍融問(wèn)題研究的離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)[21]，完善了凍土離心模擬技術(shù)的同時(shí)，為探索渠道凍害機(jī)理與凍害處治方案提供了重要研究手段。隨著對(duì)于季凍區(qū)渠道問(wèn)題研究的深入，上述設(shè)備已無(wú)法對(duì)輸水渠道現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的多場(chǎng)耦合邊界條件（濕干凍融）進(jìn)行模擬。因此，本文在上述研制設(shè)備的基礎(chǔ)上，考慮現(xiàn)場(chǎng)渠道經(jīng)歷干濕和凍融耦合循環(huán)作用的特點(diǎn)，對(duì)上述設(shè)備研發(fā)工作進(jìn)一步深化和完善，研制了一套可以在超重力場(chǎng)下模擬渠道濕干凍融反復(fù)循環(huán)作用的離心模型試驗(yàn)設(shè)備。本文詳細(xì)介紹了本試驗(yàn)設(shè)備的組成、特點(diǎn)及使用方法，并通過(guò)一組離心模型試驗(yàn)論證了該設(shè)備進(jìn)行季凍區(qū)輸水渠道濕干凍融模擬研究的可行性和有效性。該設(shè)備的研制為探索復(fù)雜多場(chǎng)作用下季凍區(qū)輸水渠道劣化破壞機(jī)理提供了新的研究手段。

研制的渠道濕干凍融離心模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括(1)干濕系統(tǒng)，(2)熱交換系統(tǒng)，(3)模型箱，(4)地面冷卻水循環(huán)裝置，(5)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)等，總體的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3 渠道濕干凍融離心模型試驗(yàn)設(shè)備

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]考慮干濕循環(huán)作用的膨脹土渠道邊坡破壞機(jī)理研究[J]. 蔡正銀,陳皓,黃英豪,張晨.  巖土工程學(xué)報(bào). 2019(11)
[2]濕干凍融耦合循環(huán)作用下膨脹土裂隙演化規(guī)律[J]. 蔡正銀,朱洵,黃英豪,張晨.  巖土工程學(xué)報(bào). 2019(08)
[3]凍土離心模型試驗(yàn)相似準(zhǔn)則分析[J]. 張晨,蔡正銀,徐光明,黃英豪.  巖土力學(xué). 2018(04)
[4]凍土離心模擬技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 蔡正銀,張晨,黃英豪.  水利學(xué)報(bào). 2017(04)
[5]凍融作用對(duì)土的工程性質(zhì)影響的研究進(jìn)展[J]. 馮德成,林波,張鋒,馮鑫.  中國(guó)科學(xué):技術(shù)科學(xué). 2017(02)
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[8]咸寒區(qū)灌渠凍害原型段及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建立[J]. 王懷義,黃英豪,賀傳卿,楊桂權(quán).  水利科技與經(jīng)濟(jì). 2015(01)
[9]渠道凍脹離心模型試驗(yàn)設(shè)備的研制[J]. 黃英豪,蔡正銀,張晨,徐光明,洪建忠,趙寶忠.  巖土工程學(xué)報(bào). 2015(04)
[10]干濕循環(huán)作用下膨脹土裂隙演化規(guī)律試驗(yàn)研究[J]. 張家俊,龔壁衛(wèi),胡波,周小文,王軍.  巖土力學(xué). 2011(09)

博士論文
[1]降雨誘發(fā)非飽和土邊坡淺層失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)及分析方法[D]. 劉小川.浙江大學(xué) 2017



本文編號(hào)：3120724