温-水-土-结构耦合作用下寒区梯形衬砌渠道结构形体优化

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。