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水 利 学 报

2021 年 2 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 14 期

文章编号：0559-9350（2021）02-0215-14

考虑冰盖生消和冰-结构-冻土协同作用的渠道弹性地基梁模型

葛建锐 ，牛永红 ，王正中 ，谭志翔 ，张春洋 ，王 羿 3
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（1. 西北农林科技大学 旱区寒区水工程安全研究中心 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；
2. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；
3. 南京水利学科学研究院 岩土工程研究所，江苏 南京 210024）
摘要：冰-冻破坏是寒区冬季输水渠道结构破坏的主要原因，而目前尚缺乏准确的分析方法和评价准则。本文从
冰盖生消过程中结冰初期、流冰期和封冻期 3 个阶段衬砌结构冰冻破坏机理出发，考虑在冰-结构-冻土协同作用
下，基于弹性地基梁 Winkler 理论推导了衬砌结构的挠曲线微分方程，分别建立了 3 个阶段衬砌结构的冰冻破坏
力学模型，并结合相应荷载组合和边界条件对模型求解获得了衬砌结构的挠度、内力和应力的解析表达。应用该
模型对南水北调京石段某输水渠道进行冰冻破坏分析计算，结果表明：结冰初期、流冰期和封冻期 3 个阶段衬砌
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 3 个阶段衬砌结构的截面最大拉应力分别为
3.63、4.11 和 2.05 MPa，且破坏位置均在冻结区坡板的中下部，与现场监测渠道冰冻破坏分布规律吻合。据此，
建议寒区冬季输水渠道控制运用中应尽量缩短结冰初期、流冰期时间，延长第 3 阶段稳定封冻期时间，同时应合
理控制地下水位和冰盖厚度。研究结果可为寒区冬季输水渠道抗冰冻设计提供理论依据和分析方法。
关键词：衬砌渠道；冰盖-结构-冻土协同作用；冰-冻荷载；弹性地基 Winkler 理论；挠曲线微分方程
中图分类号：TV 672 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200558

1 研究背景

在我国北方广大季节性冻土区，水资源短缺且时空分布不平衡的问题长期制约着社会经济的发
［1］
展。针对此，我国已修建了一系列长距离输水、跨流域调水的渠道及配套工程措施 。为了挖掘渠
系工程供水系统潜力、解决人口承载量增加与水资源供需矛盾等问题，诸多调水工程已采用常年
［2］
输水或冬季输水形式 。冬季输水主要采用运行方式为：无冰输水、冰水两相流和冰盖下输水等运
行工况 ［3］ ，其中明渠在冰盖下输水被认为是一种高效且经济节能的输水运行方式，即当寒潮来临前
通过对水力条件进行人工调控形成稳定的平封式冰盖，利用冰盖对其下部水体的保温作用进行安全
［4］
输水。但我国季冻区河渠冰冻破坏现象严重 ，对寒旱区冬季输水渠道抗冰-冻设计方法及相关措施
研究亟需完善。
［5］
目前，针对河冰形成、发展和消亡过程相关机理研究已有一定基础。Shen 等 基于冰凌生消演
变规律和传热传质理论，构建了天然河道全周期冰情演变的数学计算模型，为实现河冰演变过程数
［6］
［8］
［7］
值模拟提供了理论基础。杨开林 通过综合考虑 Einstein 公式 、Belokon-Sabaneev 公式 及 Larsen 公
［9］
式 的计算适用条件，建立了流冰过程的通用糙率公式和冰情演变模型。吴剑疆等 ［10］ 基于二维紊流理
论对渠道内冰的生消及分布规律进行了数值模拟分析。Wang 等 ［11］ 考虑将 GIS 地理信息系统与神经网

收稿日期：2020-07-23；网络首发时间：2021-01-25
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210125.0912.002.html
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基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC0405103）；国家自然科学基金项目（U2003108，51279168）；冻土工程国家重点实验
室开放基金项目（SKLFSE201801）；江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ190621）
作者简介：葛建锐（1987-），博士生，主要从事旱区寒区水工程安全研究。E-mail：gejianrui@163.com
通讯作者：王正中（1963-），教授，主要从事旱区寒区水工程安全研究。E-mail：wangzz0910@163.com
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