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整体式小U形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏数值模拟研究
一、引言
在现代化建设中，水利工程是一个重要的组成部分，其对于人类的生产生活起到了举足轻重的作用。其中，渠道是一种常见的水利工程，主要用于引水、排水等作用。由于渠道长期处于自然环境中，其所处地区的气候、土质等因素都可能对其造成影响，其中特别是冻胀现象的影响。小U形渠道在冬季遭受冻胀现象影响较为显著，如果未能采取适当的防护措施将会导致混凝土衬砌结构的破坏，甚至严重威胁渠道的正常工作。
针对这一现象，进行深入的数值模拟研究，以探究冻胀现象对小U形渠道混凝土衬砌结构的破坏情况及预防措施的实施是十分必要的。
二、冻胀破坏的原因
冻胀现象是由于温度变化引起水分的冷却和膨胀所导致的。在小U形渠道中，由于是开放式渠道，常年处于自然环境中，遭受气温变化加剧了渠道中水分的冻胀程度，产生了一定程度的破坏。冬季温度急剧下降，导致渠道中的水分迅速冷却，并且由于冰水比例变化导致渠道中的水分膨胀，剧烈的冻胀反复作用于渠道边坡，引起坡面破碎。
三、数值模拟方法
3.1建立模型
本次数值模拟通过建立小U形渠道混凝土衬砌结构模型，模拟冬季气温下降对模型的影响，从而探究小U形渠道混凝土衬砌结构的抗冻胀性能及破坏情况，为预防冻胀破坏提供相关依据。
3.2材料参数
选取材料参数为：混凝土弹性模量E=3.2GPa，泊松比ν=0.2；边坡土的弹性模量E=0.5MPa，泊松比ν=0.3。同时，由于渠道混凝土的强度参数影响较大，需要进行分析及研究，确定合理的参数。
3.3计算方法
采用有限元分析方法，在ABAQUS软件平台上进行模拟，并通过温度场、应变场等参数进行分析。由于本次数值模拟所用模型复杂，同时考虑防止几何失配问题的发生，因此采用了多重网格方法分析求解。
四、数值模拟结果分析
在温度下降寒冬来临时，小U形渠道的混凝土衬砌结构破坏情况严重，针对这一现象，设置模拟参数，对小U形渠道混凝土衬砌结构的破坏情况进行数值模拟分析。
4.1变形分析
本次数值模拟结果显示，在冻胀破坏作用下，小U形渠道混凝土衬砌结构发生了一定程度的变形，其中，局部变形部位主要在边坡部分，而未出现整体性的变形情况。
4.2应力分析
通过数值模拟结果发现，边坡部分和水流部分的应力较大，出现了一定程度的应力集中现象，反之，渠道底部的应力相对较小。
4.3损伤分析
数值模拟结果显示，在冻胀破坏作用下，小U形渠道混凝土衬砌结构出现了损伤，其中渠道边坡部分损伤程度较大，出现了碎裂及落石等现象。
五、预防措施
针对数值模拟结果，本文提出了一系列防止小U形渠道混凝土衬砌结构冻胀破坏的预防措施，包括：
5.1防水措施
提高渠道的防水能力，减少渠道内水分的渗漏，降低冻结水量及冻结力。
5.2防冻措施
采用防冻设施，提高渠道内水分的温度，降低冻结水量及冻结力。
5.3加强监测
加强对小U形渠道混凝土衬砌结构的监测，定期检查，发现问题及时采取措施，保障渠道正常工作。
六、结论
本次数值模拟研究中，建立了小U形渠道混凝土衬砌结构模型，分析了冬季气温下降对其的影响，并提出了相应的预防措施。结果表明，在冻胀破坏作用下，小U形渠道混凝土衬砌结构出现损伤，尤其是边坡部分的损伤程度较大，因此，应该采取综合防治措施，保障小U形渠道混凝土衬砌结构的稳定工作。