Page 245 - 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

的冻胀弹性变形较为成熟，而力学参数与水热参数间全耦合冻胀、融沉模型和冻
融循环下的弹塑性损伤模型研究仍是难点。有必要通过单轴和三轴冻土加载试验，
结合基质势、水分、温度等传感器，研究应力场参数与水土特征曲线、冻结曲线
等水热参数的耦合关系；研究不同荷载下基土的温度、水分分布与融沉系数的关

系，综合建立渠道的冻胀 - 融沉模型；研究冻融循环过程中基土传热系数、水土
特征曲线、冻结曲线等水、热、力参数的变化规律，建立各参数的动态预测模型；
建立冻土的冻融劣化本构数值模型，以建立完善的冻土水 - 热 - 力耦合冻融劣化
数值模型，以分析渠基土的冻融劣化、剥蚀与滑塌过程。

三是在水—热—力耦合模型基础上，研究盐分对各场参数的影响规律，如冻
结曲线、土水特征曲线、渗透系数、力学参数等，建立统一预测模型，结合咸寒
区渠道盐冻胀破坏机制，建立相应的水—热—力—盐四场耦合数值仿真模型，为
咸寒区工程设计和建筑物盐冻胀破坏防治提供理论指导。

四是寒区渠道衬砌板在冻土冻胀融沉作用下发生破坏，以往的衬砌 - 冻土相
互作用研究中多限于单次冻结状态下研究含水率、温度、法向压力等因素对接触
面力学特性的影响，仅建立了数学拟合关系，物理意义不明确且精度较差，导致
数值计算的衬砌板应力变形大于试验监测值而失真。如何反映冻土与结构界面反

复冻结融化循环过程中相互作用的物理本质，建立正确的接触模型及其参数是当
前面临的难题。探究在长期反复多次冻融循环下衬砌—分凝冰—冻土的界面强度
和应力应变特性，分析界面间冻胀力、冻结力的发展演化过程及接触面的性能退
化演变规律；另一方面，理论上建立接触面黏塑性损伤模型，从损伤状态变量、

损伤模型参数、蠕变参数与温度、含水率、冻融循环次数等变量的关联出发来建
立接触面间力学本构模型，结合冻土耦合模型，实现界面间应力变形特性与冰、
水含量的动态分析，最后建立旱寒区基土与衬砌相互作用的渠道冻融破坏模型，
综合分析衬砌的冻胀、融沉、鼓胀、错动、脱空和滑塌等破坏。

（三）失效准则与设计方法
失效准则是旱寒区渠道防渗抗冻胀量化设计的阈值指标，包括强度、刚度、
稳定性等。目前规范仅采用不可恢复的法向最大冻胀量这单一失效准则，无法反
映渠道冻融破坏的多种类型，且设计方法也仅是定性判断及工程类比，无法满足

复杂环境下高标准、大规模渠道工程建设的需要。目前虽面向渠道衬砌结构抗冻
胀设计提出了材料力学和弹性力学等工程力学模型，但仅采用了拉应力或最大变

233