Page 92 - 水利学报2021年第52卷第2期

络理论相结合，提出了适用于黄河河段的冰情预报模型。基于上述研究，对长距离输水工程中冰情
预测与防控 ［12］ 、河渠冰水力学 ［13］ 、冰盖稳定性及其力学特性 ［14-15］ 等方面研究都得到进一步完善。而针
对渠道工程抗冻胀机理及理论模型的相关研究有：王正中 ［16］ 根据材料力学理论及相关假设，建立了
现浇混凝土梯形渠道冻胀破坏力学模型；基于此模型的理论构想，宋玲等 ［17］ 对无冰盖输水梯形渠
道；肖旻等 ［18］ 对冻土弹性地基的梯形渠道；葛建锐等 ［19］ 对冬季冰盖输水条件下梯形渠道分别建立了
力学分析模型。同时，考虑冻土三场耦合理论的渠道冻胀数值计算模型也相继开展 ［20-22］ 。上述成果为
寒区渠系工程抗冰冻研究提供了技术支持和理论保障，但文献［18］认为各点的冻胀力大小仅与对应
位置冻胀强度有关，即由各点自由冻胀量求出法向冻胀力并施加到衬砌结构上得到坡板的内力与应
力，而这种预先假定的冻胀力大小与分布不能真实反映冻土与衬砌板之间相互作用，与实际冻胀过
程差别较大。文献［19］研究仅是考虑冬季输水渠道中无冰盖和冰盖形成后的两种稳态运行工况，而
实际上对冰盖生消动态过程中渠道冰冻破坏的控制阶段尚不明确。
输水渠道衬砌结构的抗冰冻问题需综合考虑河冰力学、冻土力学、热力学和冰水力学 ［23-25］ 等学科
理论体系，然而目前学者大多关注于渠冰生消与发展、冰盖力学特性和渠道结构抗冻胀规律研究，
而针对寒区混凝土衬砌渠道冰盖生消过程中关键时间段的冰盖-结构-冻土耦合作用的力学分析较为
鲜见。针对此，本文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，
将冬季行水渠道冰冻破坏过程中冰盖、衬砌结构与冻土间的相互作用视作 3 个相互耦合的过程，提出
一种渠道由冰、结构与冻土协同作用下产生协调变形的冰冻破坏分析构想，基于弹性地基梁 Winkler
理论，考虑在冰-结构-冻土耦合作用过程中衬砌结构达到极限平衡状态，推导得到了冬季输水渠道
弹性地基梁挠曲线微分方程。进一步对 3 个阶段分别建立了冰冻破坏力学模型，并结合不同荷载组合
和边界条件的影响对方程求解获得渠坡板挠度、内力和应力的解析表达，最终提出基于冰-结构-冻
土协同作用下的渠道衬砌冰冻破坏判断准则。以期为寒区冰盖输水衬砌渠道冰冻破坏的有效评价与
防治提供理论方法。

2 冰-结构-冻土协同作用的衬砌渠道冰冻破坏分析

将冬季行水渠道冰冻破坏过程中冰盖、衬砌结构与冻土间的相互作用视作 3 个相互耦合的过程：
当冰盖形成后，冰盖膨胀或收缩会对衬砌结构产生的冰压力或冰拉力的作用；在累计负温、水分迁
移等条件下渠基土发生冻胀，但受衬砌结构对其约束作用时会产生冻胀荷载；当衬砌结构产生冰-冻
位移且变形程度增强或减小时，相应地表现为对基土约束作用的削减和加强（即对冰盖约束作用的加
强和削减）。在冰-结构-冻土间的 3 个耦合过程相互影响下达到极限平衡状态，最终得到冰-结构-冻
土耦合作用下渠道衬砌结构的实际冰-冻位移（如图 1）。综上，本研究根据冰盖生消过程 3 个阶段，
通过建立并求解地基梁的挠曲线微分方程进而探明冰-冻荷载作用衬砌结构的实际变形分布，建立方

注：ω 0为渠道基土在该点的自由冻胀量，m；ω f为有衬砌约束时该点的实际冻胀量，m；
ω i为有衬砌约束+冰荷载时该点的实际冻胀量，m；H 为基土冻深，m。
图 1 冰盖下输水梯形混凝土衬砌渠道断面及冰-土-结构作用示意
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