Page 102 - 水利学报2021年第52卷第2期

导致衬砌结构发生冻胀破坏的主要原因。但在冬季冰盖输水渠道中，土体冻结速率缓慢且有水源补
给条件下使土体冻胀显著，冬季输水渠道渠内水体与基土产生热量交换：行水位以下由于渠内水保
温作用视为该区域为未冻区即渠基土处于未冻状态；而行水位以上渠基土在累计负温影响下发生冻
结，同时伴随渠水入渗和水分迁移作用，使受冻坡板发生不均匀的冻胀变形。在持续负温环境和通
过水力调控形成冰盖后，与冰盖接触的衬砌结构会受到冰荷载作用，主要表现为：流冰期形成悬臂
冰盖产生的附加弯矩、封冻期平封冰盖产生的静冰荷载及冰盖自重产生的附加弯矩作用。衬砌结构
在基土冻胀和冰荷载共同作用下会在冰盖附近产生不协调冰-冻位移，出现较大弯矩和拉应力。当渠
道衬砌极限承载力不能满足冰-结构-冻土协同作用下的最大荷载时即发生冰-冻破坏。

7 结论

探讨并剖析寒区冬季行水渠道冰-冻荷载对结构的破坏机理，对不输水条件弹性地基梁模型和稳
态条件下冰盖输水模型进行修正和补充，提出一种考虑冰盖作用-基土冻胀-衬砌结构协同作用影响
下坡板冰-冻破坏分析计算方法。得出如下结论：
（1）推导得到了复杂冰冻荷载作用下渠道弹性地基梁力学模型和解析表达式，对 3 个阶段分别建
立了冰冻破坏力学模型，结合不同荷载组合和边界条件对挠曲线微分方程求解，得到了渠坡板挠
度、内力和应力的解析表达，本模型弥补了不输水条件弹性地基梁模型中预先假定一种简单冻胀荷
载大小与分布规律，且不能真实反映基土冻胀与衬砌结构之间相互关系的缺陷。
（2）以京石段某输水渠道为原型研究，应用本文方法对衬砌结构各点冰-冻位移和截面应力进行
分析计算，结果表明：结冰初期、流冰期和封冻期衬砌结构的法向冻胀位移最大值分别为 10.62、
13.89 和 5.05 cm，对应最大拉应力分别为 3.63、4.11 和 2.05 MPa，形变与强度校核都表明流冰期为冰
盖生消过程中最危险工况，且破坏位置与监测结果基本相符。
（3）分别对地下水位和冰盖厚度变化影响下衬砌结构冰-冻破坏进行对比分析，结果表明：衬砌
结构冰-冻位移和截面最大弯矩均随地下水位降低和冰盖厚度的增加而逐渐减小，证明依据工程条件
应考虑降低地下水位和增加冰盖厚度的影响作用，但同时要满足冰盖增厚后对其冰盖稳定性的影响
条件。
本研究中第 3 阶段只考虑冰盖与衬砌结构粘结稳定后形成平封冰盖的静冰压力作用。事实上，当
昼夜温差变化较大时，冰盖对衬砌结构冰拉力的影响也需加以重视，综合考虑冰盖拉拔效应和冻融
循环作用的相关模型有待进一步开展研究。

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