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水 利 学 报

2022 年 2 月 SHUILI XUEBAO 第 53 卷 第 2 期

文章编号：0559-9350（2022）02-0230-13

寒区河湖与灌排渠道模袋混凝土护岸冻胀破坏机理

刘铨鸿 ，郭 明 ，王正中 ，陆立国 ，葛建锐 ，李瀚翔 1
1，2
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3
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1
（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. 宁夏水利科学研究院，宁夏 银川 750021）
摘要：我国北方寒区河湖与灌排渠道护岸冻胀破坏普遍严重。卵砾石护底模袋混凝土衬砌护岸因施工方便获得广
泛应用。但目前针对这种复合衬砌结构的冻胀破坏机理尚不明确，难于规范化设计。本文基于冻土水热力三场耦
合理论，考虑衬砌与基土的界面相互作用建立了河渠护岸衬砌冻胀数值分析模型。以宁夏西干渠工程为例，对卵
砾石护底的模袋混凝土、卵砾石护底的普通混凝土以及全断面混凝土三种典型衬砌形式的弧脚梯形渠道进行冻胀破
坏分析和对比研究。结果表明，卵砾石护底的排水作用可使边坡基土冻前体积含水率和冻后体积含冰率分别减少约
27.8%和 30%；模袋及卵砾石护底削减了冻结约束和底板约束，使坡板拉应力减少 20% ~ 70%，冻胀量削减约
30%，不均匀冻胀量减少约 50％；模袋混凝土护岸冻胀破坏表现出混凝土开裂、模袋达到比例极限、模袋达到极
限强度的三个阶段，在混凝土开裂后模袋仍具备较强的承拉能力使护岸衬砌仍能承受冻胀发展并防止滑塌失稳破
坏，当以模袋拉应力达到比例极限为失效准则时，抗冻胀能力提高约 47.1%，负温抵抗能力提高约 30%。此项研
究可为我国北方寒区浅埋地下水河渠护岸采用卵砾石护底模袋混凝土衬砌提供设计手段与合理依据。
关键词：模袋混凝土护岸；卵砾石护底；浅埋地下水；冻土水热力耦合；冻胀破坏
中图分类号：TV672 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210696

1 研究背景

［1］
河湖生态治理及大型灌区改造是我国流域生态保护和高质量发展的重要举措 ，良好的水生态水
［2］
环境建设是美丽乡村建设的重要目标 。作为水生态环境建设的重点，寒区河湖水系连通、国家及区
［3］
域水网建设都需要通过河渠连通 。新型模袋混凝土衬砌护岸结构是河渠连通的重要方式，具有施工
［4］
速度快、可以水下施工等特点 。将其结合卵砾石护底结构可以有效降低地下水位，减少结构的冻胀
［5］
破坏 。因而，卵砾石护底模袋混凝土衬砌护岸具有很好的应用前景。但是由于该新型衬砌复杂的结
构，其冻胀破坏机理仍未探明，制约了该新型衬砌护岸形式的推广。
在浅埋地下水河渠，传统的全断面混凝土衬砌结构阻断了地下水向渠内渗流的通道，致使地下
水位不能快速地降低，同时在冬季低温期，地下水冻结、基土冻胀会造成护岸混凝土衬砌发生严重
［5］
的冻胀破坏 。文献［6-8］ 对浅埋地下水的梯形渠道、弧底梯形渠道等分别建立了力学分析模型，为
浅埋地下水河渠衬护设计提供了有效的方法和思路。文献［9-11］ 通过数值模拟的方法对浅埋地下水
的衬砌形式进行了研究，得到了适合灌排渠道的衬砌形式，从而达到减少渠道冻胀的目的。
卵砾石护底作为一种浅埋地下水河渠常用的排水结构，具有防冲刷、防渠基渗透破坏的作用。

收稿日期：2021-08-04；网络首发时间：2022-02-17
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20220217.1800.001.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（U2003108，51279168）；国家重点研发计划项目（2017YFC0405103）；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：刘铨鸿（1985-），博士生，主要从事旱区寒区水工程安全研究。E-mail：liuquanhong1985@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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