第21卷第3期2009年9月北方工业大学学报 J.NOR T H C HINA UN IV.O F TEC H.Vol.21No.3Sept.2009 收稿日期:2009-04-15 3中国科学院知识创新工程重大资助项目(No.KZCX12SW ) 第一作者简介:由明卓,硕士研究生.主要研究方向:岩土结构工程、数值计算等. 冻土水—热耦合模型在某铁路 路基中的应用研究3 由明卓 王建省 (北方工业大学建筑工程学院,100144,北京) 摘 要 Harlan 模型的基本原理,即把温度场和水分场分别用各自的基本方程进行表述,把未冻水含量作为温度函数,建立两个方程的函数关系,得到冻土的Harlan 水—热耦合数学模型.将Harlan 模型应用于某铁路路基计算,比较了二场单独作用以及耦合作用的结果,分析了相互作用和影响规律. 关键词 冻土;水热迁移;水热耦合方程分类号 TU445 我国是冻土面积仅次于俄罗斯、加拿大的第三冻土大国,多年冻土面积2.15×106km 2,约占我国国土总面积的22.3%.这些冻土主要分布在青藏高原、东北大小兴安岭和西部的天山、阿尔泰山及祁连山等地区[1].随着我国西部大开发战略的实施和经济建设中心的西移,在多年冻土区已经建成或将要修建大量的公路、铁路、桥梁、隧道等基础设施,同时也产生大量冻土力学、冻土工程学、建筑物冻害防治等急待解决的理论及实际工程问题,而对冻土基本力学性质、机理的研究是解决上述问题的基础和关键. 多年或季节冻土地区由于冻土层的反复冻结与融化,产生冻胀、融沉两大工程问题,引起路基的严重变形、下沉、开裂等冻害.而土体中温度场、水分场及其变化规律是引起冻害严重与否的主要因素[2].土体冻融过程中,热量与水分的运动、分布是动态且相互影响和制约的.温度的传导、高低变化会引起水分的运移和重分布,同时,渗流场的改变也将影响冻土温度场的分布,即它们之间存在耦合关系.本文基于冻土 水—热耦合原理研究的成果,对耦合数值方法进行探索研究,并将模型应用于某铁路路基模拟算例,得到了比较满意的结果. 1 路基冻土水—热耦合机理及数 学模型 土体在冻结或融化过程中,温度、水分、应力三场的相互作用是一个极其复杂的热力学、物理化学和力学的综合问题.三场相互制约的关系存在于土体的整个冻融过程中,即冻土特有的水、热、力三场耦合问题.三场耦合问题的解决要以其中任意两场耦合机理研究为前提和基础,而水—热耦合关系即为其中重要的一环. 水—热耦合也即渗流场与温度场的相互作用.通过水流的运动,热量以对流的形式在土体中传播,从而影响温度场的分布;反过来,温度场的变化又会引起渗流系数的变化[3].同时,温度变化引起冻土的冷生结构也会改变土颗粒的排列形式,影响土体孔隙分布.
一、二维耦合数学模型在水闸自动调度中的应用 发表时间：2018-10-01T20:02:06.310Z 来源：《基层建设》2018年第23期作者：翟法 [导读] 摘要：为了研究变化水位条件下水闸的出流条件，本文采用了Mike flood一、二维耦合模型对新川沙泵闸进行建模并采用一维中的 “可控建筑物”模块对泵闸的调度规则进行了设置，针对水闸在不同水位条件下的出流条件进行了分析。 上海友为工程设计有限公司上海市 200093 摘要：为了研究变化水位条件下水闸的出流条件，本文采用了Mike flood一、二维耦合模型对新川沙泵闸进行建模并采用一维中的“可控建筑物”模块对泵闸的调度规则进行了设置，针对水闸在不同水位条件下的出流条件进行了分析。结果表明Mike flood可以较好地应用到流域范围复杂的水资源调度和行洪排涝研究项目中，也可以实现泵闸运行全过程的自动调度。 关键词：一、二维耦合、水闸、自动调度 目前二维水流数值模拟中有关水闸引排水时的流场分析，多采用上、下游均为静水位的工况计算恒定流流场，这种方法在研究感潮河段或沿海地区等闸外水位时刻在变化的水闸时有一定的局限性，较难全面地给出水闸上下游最不利的流态。Mike11一维模型多用于概化河流等不需要考虑局部水流流态的水利工程中，模型中的可控建筑物模块可以实现复杂的泵闸调度规则，Mike21二维模型可以描述复杂地形下的水流流态，但无法实现复杂的水闸调度规则。通过Mike flood模块，可以将泵闸用一维可控建筑物进行概化，研究工程区域用二维水流模型进行概化，从而构建了能实现复杂调度的二维水流数值模型。 本文拟以新川沙泵闸枢纽工程为例，采用Mike flood一、二维耦合数学模型，其中一维模型主要用来模拟有复杂调度规则的水闸，二维模型用来模拟水闸上下游的水流流态，研究闸内水位及闸外水位均动态变化的情况下水闸上下游的流场分布，分析新川沙泵闸平面布置的合理性。 1.工程概况 新川沙泵闸作为嘉宝北片沿江重要控制建筑物，也是吴淞江工程重要的排江口门，其主要功能是挡潮、泄洪、排涝和改善水环境。 新川沙河泵闸位于上海市宝山区新川沙河与长江交会口处，泵闸闸址处西岸是陈行水库的东堤，东岸是规划预留港区（临近河道范围现状为绿化带）。泵闸闸址处两岸堤防均为长江一线海塘，长江堤防为一等工程，级别为1级。 新建新川沙河口泵闸工程由一座净宽60m的节制闸和一座150m3/s的双向泵站组成（排涝设计总流量150m3/s，引水设计流量150m3/s）。 图2.1 潮位率定图（吴淞高程） 图2.2 流速率定图（吴淞高程） 2.模型介绍 2.1 模型建立 为分析新川沙泵闸枢纽工程的水流流态和水质影响，采用二维水流模型建立了长江口杭州湾大模型，通过Flather condition边界为小模型提供有效、真实的边界条件；其次采用了一维和二维耦合模块建立了新川沙泵闸小模型。小模型中根据流速、水位等限制条件建立了一维泵闸联合调度规则，从而可以有针对性地计算并分析工程区域水流流态和流速分布。 2.2模型率定和验证 模型率定采用2009年4月实测资料，模型验证采用2011年8月实测资料，率定和验证结果见图2.1、图2.2。 3.闸门调度方式设置及计算工况选取
收稿日期:2005-04-04 基金项目:国家西部交通建设科技项目(200231881203) 作者简介:毛雪松(1976-),女,吉林珲春人,长安大学副教授,西安理工大学博士后. 第26卷 第4期2006年7月 长安大学学报(自然科学版) Journal of Chang an University(Natural Science Edition) Vol.26 No.4Jul.2006 文章编号:1671-8879(2006)04-0016-04 多年冻土路基水热力耦合理论模型及数值模拟 毛雪松1,2,李 宁1,王秉纲2,胡长顺 2 (1.西安理工大学水利水电学院,陕西西安710048; 2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西西安710064) 摘 要:在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上,提出水热力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393+950的冻土路基为计算对象,得出了1月份路基温度场、水分场及应力场(变形场)的分布规律:路基温度场内 部存在着未冻土核;水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势;在负温条件下,土体的体积含冰量超过临界值时,将产生冻胀现象。研究结果表明,多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中,路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。 关键词:道路工程;多年冻土路基;温度场;水分场;应力场;水热力耦合模型中图分类号:U 416.168 文献标识码:A Coupling model and numerical simulation of moisture -heat -stress fields in permafrost embankment MA O Xue -so ng 1,2,LI Ning 1,WANG Bing -gang 2,H U Chang -shun 2 (1.Schoo l o f Water Reso urces and Hy dr oelectr ic Po wer ,X i an U niver sity o f T echno log y,Xi an 710048,Shaanx i,China; 2.K ey L abor ator y for Special A rea H ig hw ay Eng ineer ing of M inistry of Educatio n,Chang an U niversity,Xi an 710064,Shaanxi,China) Abstract:Based o n the contr ol equation o f the non -stationar y tem perature field,the finite elem ent control equation of the m oisture m ovement and the tw o -dim ensio nal num erical calculatio n mo del of the defor mation and str ess fields in the subgr ade,this paper puts fo rw ard the coupling calcula -tion mo del of the heat -moisture -str ess fields.By the detail calculatio n ex ample w ith the section of Qing ha-i T ibet highw ay K3393+950in January,this paper fur ther ex plains the coupling pr ocess of the heat -m oisture -stress fields and analyzes the interacting law of the tem peratur e,moisture and stress fields in the subg rade.It is found that there is the unfr eezing soil in the subgrade,the moisture trends to the freezing line under the temperatur e grads,once the ice volume ex ceed the critical value,the freezing dam age w ill happen.T he research results indicate that the temperature field,mo isture field and stress field o f the permafrost subgr ade chang e all the time,the re -dis -tributing of stress that is caused by the chang e of heat and moisture is the key facto r for the fro st damages.2tabs,7fig s,6refs.