“冻土—衬砌结构”非线性问题的简化算法与渠道结构优化

来源：水资源与水工程学报杂志2017年第4期北京时间：

作者：安鹏，邢义川，张爱军，任文渊，赵磊

单位：1.长安大学地质工程与测绘学院,2.中国水利水电科学研究院,3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,4.河北省水利水电第二勘测设计研究院

摘要：季节性冻土地区的渠道冻胀破坏非常严重。“冻土-衬砌结构”作用机制属于复杂的高度非线性问题，这使得数值计算在渠道结构设计和优化方面应用缓慢。本文提出了一种简化算法，该算法采用“初始位移法”模拟法向冻胀力，并通过定义摩尔库伦摩擦单元模拟冻土与结构之间的冻结摩擦作用。随后建立了渠道结构优化数学模型，基于APDL语言的二次开发建立了渠道有限元参数化模型，选取实际工程采用一阶算法进行了结构优化。研究结果表明：该方法简单实用，其计算结果与渠道实际破坏特征相符，可以用于渠道抗冻胀结构计算与设计；在最不利气象和水文地质条件下，结构优化后的断面可以保证渠道不产生裂缝，运行更安全；与传统的按照规范设计的断面对比，可降低6.7%的工程造价，对于整个灌区效益明显。

关键词：冻土-衬砌结构,非线性问题,简化算法,渠道,结构优化,数值模拟

基金资助：国家自然科学基金项目(51379220)； 中国博士后基金项目（2016M602740）； 中央高校基本科研业务费项目(310826161001)