Page 100 - 水利学报2021年第52卷第2期

述初参数分别代入式（22）可得渠道坡板各截面冰-冻位移解析表达，考虑冰盖生消过程中结冰初
期、流冰期和封冻期 3 个关键阶段的不同影响条件，并对弹性地基梁法、材料力学法、数值解法 ［22］
和现场监测 ［33］ 进行对比分析。
如图 5—图 7 所示，在结冰初期-流冰期-封冻期变化的 3 个阶段，对应的渠坡板截面挠曲变形的
最大值分别为 10.62、13.89 和 5.05 cm，且挠曲变形的峰值都出现在受冻区坡板的 68%~88%位置上；
而对应的渠坡板截面最大拉应力分别为 3.63、4.11 和 2.05 MPa，且最大拉应力的峰值都出现在受冻区
坡板的 56% ~ 69%位置处。说明冬季输水渠道衬砌结构在受冻区中下部是变形和拉应力最大区域，
设计中应重视该区域形变与强度超标问题。

24 7
6
20 5
冰-冻荷载作用位移/cm 12 8 截面最大应力×10 3 /kPa 4 3 2
16

4
0 1
0 -1
0 100 200 300 400 500 600 0 100 200 300 400 500 600
沿坡面至渠顶的距离/cm 沿坡面至渠顶的距离/cm
（a） 渠坡板截面冰-冻位移分布 （b） 渠坡板截面最大拉应力分布
图 6 第 2 阶段渠坡板截面冰-冻位移及最大拉应力分布

10 4
3
8 2
冰-冻荷载作用位移/cm 6 4 截面最大应力×10 3 /kPa 1 0

0 2 -1
-2
0 100 200 300 400 500 600 0 100 200 300 400 500 600
沿坡面至渠顶的距离/cm
沿坡面至渠顶的距离/cm
（a） 渠坡板截面冰-冻位移分布 （b） 渠坡板截面最大拉应力分布
图 7 第 3 阶段渠坡板截面冰-冻位移及最大拉应力分布

由结冰初期-流冰期-封冻期变化过程中冰盖对衬砌结构产生的荷载逐渐增大，即衬砌结构对冰-
冻位移约束作用逐渐增大的过程，使渠道坡板冰-冻位移逐渐减小，进而渠坡板趋于安全服役。建议
寒区冬季输水渠道应适当调节 3 个阶段的运行周期：缩短第 1、第 2 阶段，增加第 3 阶段平封冰盖的服
役时间。该研究方法由于考虑衬砌冰盖-结构-冻土协同作用下渠基土地基反力影响及相互约束作用
对冻胀力的削减，冰-冻位移计算结果相比材料力学法偏小，符合文献假设 ［18，31］ ；由于本模型将坡板
视为薄板结构未考其自重作用，计算结果比数值解偏大，这是偏安全的 ［18］ ；且文本计算结果与文献
［33］现场监测破坏位置及规律基本相符，证明了本文中力学模型对冬季输水条件下渠道冰-冻破坏计
算分析的适用性和准确性。
5.3 衬砌结构抗冰-冻破坏影响因素讨论 图 8 为衬砌结构弹性模量 E =2.2×10 MPa，冰盖厚度 h =28
4
c
i
cm 时，仍以该渠道为原型，考虑当地下水位变化时对寒区输水渠道衬砌结构的冰-冻破坏的影响。现
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