温-水-土-结构耦合作用下寒区梯形衬砌渠道结构形体优化

论文摘要

为提高寒区大型梯形渠道结构输水及抗冻胀破坏能力,采用分层序列法构建渠道断面水力与抗冻胀双目标优化方法。为准确反映温、水、土等外环境与衬砌结构耦合作用所导致的渠道冻胀变形过程,基于冻土水-热-力耦合冻胀理论建立了衬砌渠道冻胀分析模型。以水力最优为第1层次优化,以所得形体几何参数作为抗冻胀优化的解集空间;在第2层次的抗冻胀优化过程中提出了衬砌结构整体刚度指标,并以整体刚度指标最小作为优化目标,以衬砌允许最大法向位移和拉应力作为约束条件;通过COMSOL软件二次开发对冻胀模型控制方程进行有限元求解。工程算例表明:优化结果体现了对渠道行水和衬砌抗冻胀的改进;与原设计相比,优化后渠道结构整体刚度系数减小30%～48%,提高了对冻胀变形的适应能力。该方法可为类似工程设计提供参考。

论文目录

• 1 基于冻土水-热-力耦合的衬砌渠道冻胀模型
•   1.1 渠基土温度场与水分场耦合控制方程
•   1.2 冻土冻胀本构关系
•   1.3 COMSOL Multiphysics有限元求解方案
• 2 水力与抗冻胀双目标断面优化数学模型
•   2.1 水力最优设计参数及其解集空间
•   2.2 优化函数及约束条件确定
• 3 渠道形体优化的参数化数值建模及求解
•   3.1 几何模型及网格划分
•   3.2 计算参数
•   3.3 计算结果
•     3.3.1 断面形体尺寸对渠基冻深的影响
•     3.3.2 断面形体尺寸对衬砌冻胀位移及应力的影响
• 4 温-水-土-结构耦合作用对衬砌结构优化的影响
• 5 结论

文章来源

类型: 期刊论文

作者: 王羿,刘瑾程,刘铨鸿,王正中

关键词: 衬砌渠道,温水土结构耦合,形体优化,分层序列法,水热力耦合理论

来源: 清华大学学报(自然科学版) 2019年08期

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅱ辑

专业: 水利水电工程

单位: 西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心旱区农业水土工程教育部重点实验室

基金: 国家重点研发计划“水资源高效开发利用”重点专项(2017YFC0405100),国家自然科学基金项目(51279168),国家十二五科技支撑计划(2012BAD10B02),中央高校基本科研业务科技创新专项(Z102021848,Z109021807)

分类号: TV672

DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.22.010

页码: 645-654

总页数: 10

文件大小: 535K

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