Page 239 - 水利水电工程施工管理概论

第八章 水利水电工程渠道防冻胀研究

第八章 水利水电工程渠道防冻胀研究

第一节 水利水电工程输水渠道防渗防冻胀研究进展

目前，中国旱寒区大型灌区和调水工程得到快速发展，输水渠道规模逐渐由

中小型向大型过渡，原有渠道渗漏、冻胀破坏、老化失修严重，加之气温骤变、
暴雨洪水、盐碱化等极端条件频发，对渠道防渗抗冻胀理论技术提出了更高的要
求。本节系统分析了基于室内外试验探究的渠道冻融破坏机理、防渗抗冻胀技术
等方面的进展、前沿难点问题及整体理论技术的发展趋势，旨在为旱寒区渠道防

渗抗冻胀设计理论提升和预警模型构建从理论走向实际、从工程经验走向科学体
系奠定基础。

一、渠道冻融破坏机理研究进展

旱寒区干湿冻融交变环境下渠基冻土与衬砌相互作用复杂，基土与衬砌材料
性能随光热、水分、土性及结构形式演变剧烈。开展室内与现场试验研究是明晰
渠道冻融破坏机理的重要手段。

（一）土体冻融变形机理的单元试验
单向冻结试验始于 100 多年前，用于模拟半无限基础的单向冻结过程。
Taber 等通过该试验观察到了分凝冰的存在，探明了水分迁移和聚集成冰是土体

冻胀的主要原因，指出了土质、含水率和冻结速率是影响土体冻胀的主要因素，
由此冻土研究由简单的水冰相变问题逐渐提升到包含了热量传递、水分迁移、冰
水相变、土体和结构约束变形的水、热、力三场耦合冻胀问题。其中针对冻土内

水分迁移规律和分凝冰形成机理两大难题展开了系统研究。20 世纪 80 年代前主
要为冻土冻胀理论的建立阶段，Everet 基于毛细理论，以冰水界面处弯液面形成
的压力差作为水分迁移的主要驱动力，结合冰水界面热力学平衡方程，建立了毛

细管理论，即第一冻胀理论。后续试验证明了此公式对单分散颗粒组成的土样的
适用性，但会过低估计级配土的冻胀性，其迁移水量过大，且无法解释分凝冰的

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