Page 101 - 水利学报2021年第52卷第2期

60 30 z 0=2.5m
z 0=2.5m z 0=3.0m
z 0=3.0m z 0=3.5m
50 z 0=3.5m （kN · m） 25 z 0=4.0m
冰-冻荷载作用位移/cm 30 z 0=4.5m 渠道坡板截面弯矩×10/ 15 5
z 0=4.5m
z 0=4.0m
20
40
10
20

10
0 0
-5
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） 不同地下水位渠坡板冰-冻位移分布 （b） 不同地下水位渠坡板截面弯矩分布
图 8 考虑不同地下水位渠坡板冰-冻位移及截面弯矩分布

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14 （kN · m） 120
100
冰-冻荷载作用位移/cm 10 8 6 渠道坡板截面弯矩/ 60 0
12
80
40
20

-40
2 4 -20
-60
0
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） 不同冰盖厚度渠坡板冰-冻位移分布 （b） 不同冰盖厚度渠坡板截面弯矩分布
图 9 考虑不同冰盖厚度渠坡板冰-冻位移及截面弯矩分布

假 定 地 下 水 位 分 别 为 2.5、 3.0、 3.5、 4.0、 4.5 m 时（对 应 计 算 最 大 冻 胀 率 为 34.14% 、 19.69% 、
11.37%、6.56%、3.78%），对渠道坡板冰-冻位移和截面弯矩分布进行计算分析：衬砌结构冰-冻位
移和截面最大弯矩随地下水位降低而逐渐减小，且变化幅值也趋于平缓。其对应的冰-冻位移峰值分
别为 34.89、23.76、16.38、10.52 和 6.21 cm，位移峰值基本出现在受冻区坡板的 69% ~ 88%处；而对
应的截面最大弯矩峰值分别为 193.89、130.69、88.65、55.33 和 30.52 kN·m，弯矩峰值基本出现在受
冻区坡板的 63% ~ 75%处。由于地下水位升高促使基土冻胀作用加剧，因此在寒区输水渠道地下水
埋深较浅时更易发生冰-冻破坏，这与事实相符 ［23，25］ 。
图 9 为地下水位 z =390 cm，衬砌结构弹性模量 E =2.2×10 MPa 时，仍以该渠道为原型，考虑当
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0 c
平封冰盖厚度变化时对寒区输水渠道衬砌结构的冰-冻破坏的影响。现假定形成稳定的平封冰盖厚度
分别为 20、25、30、35、40 cm 时，对渠道坡板冰-冻位移和截面弯矩分布进行计算分析：衬砌结构
冰-冻位移和截面最大弯矩随冰盖厚度增加而逐渐减小。其对应的冰-冻位移峰值分别为 9.84、6.91、
4.79、2.78 和 1.77cm，位移峰值基本出现在受冻区坡板的 69% ~ 79%处；而对应的截面最大弯矩峰值
分别为 58.41、49.60、26.14、11.15 和 5.44 kN·m，弯矩峰值基本出现在受冻区坡板的 32% ~ 69%处。
由于冰盖厚度增大后对衬砌结构产生冰荷载增强（事实上加强了对坡板的冻胀时约束力），则坡板越
不易发生冰-冻破坏，但同时要考虑由冰盖增厚后对其冰盖稳定性的影响 ［14，19，24］ 。

6 冰-结构-冻土协同作用渠道冰-冻破坏机理

在冬季不输水渠道中，“基土冻胀融沉+接触面冻结融化+衬砌体渗冻互馈”三者相互循环作用是

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