(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210824685.6 (22)申请日 2022.07.14 (71)申请人 郑州大学 地址 450001 河南省郑州市中原区科 学大 道100号 (72)发明人 李宗坤　郭全中　李浩鸣　汤俊昌　 葛巍　潘景茹　刘铨鸿　魏淑卿　 彭鹏　谷文博　王娟　 (74)专利代理 机构 北京盛询知识产权代理有限 公司 11901 专利代理师 相凡 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/08(2020.01) (54)发明名称 一种渠道冻胀破坏分析方法 (57)摘要 本发明公开一种渠道冻胀破坏分析方法， 包 括以下步骤： 获取环境降温条件， 获取冻土渠道 材料参数， 建立冻土渠道有限元模 型和利用有限 元模型分析冻胀破坏原因； 本发 明采用大型商业 多物理场耦合分析软件COMSOL建立基于水 ‑热‑ 力耦合的冻土渠道典型断面冻胀有限元模型， 并 设计了冬季日最低温、 日平均温度， 以及典型年 月平均温度三种对比工况， 分析了不同降温条件 下， 渠道基土冻胀和衬砌受力规律， 以及渠道的 冻胀特性， 实现对渠道冻胀破坏的精准有效分 析， 以得出产生冻胀破坏 的根本原因， 便于为后 续的渠道冻胀防治工作提供重要参考和理论依 据。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 115146353 A 2022.10.04 CN 115146353 A 1.一种渠道冻胀破坏分析 方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： 步骤一： 分别获取冻土渠道所在地区不同时间段的日最低气温、 日平均气温以及历史 典型冬季月平均气温， 作为环境降温条件； 步骤二： 获取冻土渠道混凝土的各相力学参数、 冻土渠道基土的基本参数和冻融土的 热力学以及力学参数， 作为冻土渠道的材 料参数； 步骤三： 先测量冻土渠道断面的几何尺寸， 再取渠底衬砌中点为模型整体坐标原点， 并 结合环境降温条件和材料参数建立冻土渠道的水 ‑热‑力三场耦合模 型， 作为冻土渠道断面 的有限元模型， 接着有限元模型进行网格划分， 然后确定有限元模型 的边界条件和初始条 件， 最后采用瞬态分析 方法计算冻土渠道的冻结情况并设置有限元模型的计算荷载； 步骤四： 先获取冻土渠道右岸阴坡基土表面对流换热系数和冻土渠道左岸阳坡与渠底 对流换热系数， 作为模型的温度场边界， 再将温度场边界代入有限元模型， 利用有限元模型 对冻土渠道断面进行耦合复核计算， 实现对渠道冻胀破坏的计算分析。 2.根据权利要求1所述的一种渠道冻胀破坏分析方法， 其特征在于： 所述步骤一中， 日 平均温度取自每天的最高气温与最低气温的平均值， 每天的最高气温、 最低气温以及月平 均气温均通过国家气象局官网查询。 3.根据权利要求1所述的一种渠道冻胀破坏分析方法， 其特征在于： 所述步骤二中， 混 凝土的各相力学参数包括密度、 弹性模量、 泊松比、 导热系数和体积比热容， 基本参数包括 干密度、 饱和含水率、 残余含水率和饱和渗透率， 冻融土的热力学以及力学参数包括热传导 率、 体积比热容、 弹性模量和泊松比。 4.根据权利要求1所述的一种渠道冻胀破坏分析方法， 其特征在于： 所述步骤三中， 所 述水‑热‑力三场耦合模 型应用大型商业多物理场耦合分析软件COMSOL建立， 有限元模 型采 用四边形映射网格方法划分单 元， 与渠槽相邻的基土采用网格加密。 5.根据权利要求1所述的一种渠道冻胀破坏分析方法， 其特征在于： 所述步骤三中， 确 定有限元模型边界条件时， 模型 的底部边界及左右两侧 边界均采用定 向铰支座约束， 模型 上表面采用热力学第二类边界条件描述基土与大气环境的热交换过程， 模 型的其它部 分均 为绝热、 隔水边界。 6.根据权利要求5所述的一种 渠道冻胀破坏分析方法， 其特征在于： 所述第 二类边界条 件定义为： ql＝hc(Text‑T) 式中， ql为边界外法线方向的热通量， Text和T分别为环境温度和边界温度， hc为对流换 热系数。 7.根据权利要求1所述的一种渠道冻胀破坏分析方法， 其特征在于： 所述步骤三中， 确 定有限元模型初始条件时， 假设基土在入冬冻 结前固结沉降完毕， 计算时采用地应力平衡 方法得到无自重变形条件下 的初始应力 分布， 模型初始温度取日平均温度， 初始含水率结 合地勘成果， 按数学平均的方法计算左、 右岸各高程含水量， 之后通过线性插值得到渠道左 右岸的初始含水量分布， 渠底以下基土初始含水量则取左右岸最低测点含水量的均值。 8.根据权利要求7所述的一种 渠道冻胀破坏分析方法， 其特征在于： 所述高程含水量计 算公式为：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115146353 A 2式中， w0i为高程i的初始含水量， wif和wiuf分别为i高程冻结层和未冻层的含水量， dif 和diuf分别为 i高程冻结层和未冻层取样厚度。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115146353 A 3