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［5］
已有学者对这种结构的渗流量变化、渠道稳定性等进行了研究 。模袋混凝土技术具有施工速度快、
可以水下施工等特点，可以极大地缩短施工周期，用于输水运行中的河渠修复 ［4，12］ 。近年来，该技术
被引进到西北地区的输水渠道工程中，如内蒙古的河套灌区、宁夏的部分灌区等 ［13-14］ 。因模袋混凝土结
构相对复杂以及其特有的施工特点，国内外研究学者对模袋混凝土的水力粗糙度 ［15］ 、混凝土配合比 ［16］ 、
断面设计 ［17］ 、沉砂性能 ［18］ 、模袋剪切力学性能 ［19］ 等展开了初步研究。
关于卵砾石护底模袋混凝土衬砌护岸的河渠结构冻胀破坏研究，娄宗科等 ［20］ 考虑模袋和基土的
接触作用，得到的破坏规律与普通混凝土衬砌一致，但未探明其冻胀破坏机理。刘倩等 ［21］ 建立了考
虑施工原因导致模袋混凝土衬砌下方出现空洞的渠道冻胀破坏力学模型。水工建筑物抗冰冻设计规
范 ［22］ 中通过实际工程案例来说明模袋混凝土衬砌边坡的适应强冻胀和沉陷变形的能力，但是其冻胀
破坏机理还没有明确。由于这些学者研究考虑的是全断面模袋混凝土衬砌断面，而对卵砾石护底这
一结构尚未进行探究，也未探明模袋混凝土衬砌的冻胀破坏机理，没能提出适合寒区浅埋地下水河
渠护岸的衬砌结构。
因此，本文基于水热力三场耦合冻胀理论和接触模型，以宁夏西干渠工程为例，对弧脚梯形混
凝土衬砌渠道形式，采用 COMSOL 有限元软件建立渠道的冻胀模型，分别对卵砾石护底的模袋混凝
土衬砌渠道、卵砾石护底的普通混凝土衬砌渠道以及全断面混凝土衬砌渠道三种断面形式进行对比
研究，探究卵砾石护底的模袋混凝土衬砌渠道的冻胀破坏失效机理以及其在浅埋地下水河渠的冻胀
适用性，以期为寒区河渠护岸的设计、施工、维护提供依据。

2 模袋混凝土的失效模式仿真

2.1 模型的建立与分析 为研究模袋混凝土的破坏机理，建立模袋混凝土简支梁受力模型，分析结
构的失效破坏过程。因渠道工程为线性工程，故将该板简化为平面应变问题处理；假定混凝土为理
想弹塑性材料；模袋材料为各向同性弹塑性材料；混凝土与模袋之间为理想粘结、不发生剥离，满
足变形协调条件。
取单位跨度（l=1 m）简支梁作为验证模型。梁高根据模袋混凝土常用厚度取值为 15 cm，上下表
［23］
面包裹模袋材料，模袋厚为 0.5 mm。取冻胀等级为Ⅲ级时的法向冻胀力为 200 kPa 。于是本文采用
逐步加载至最大荷载 200 kPa 的三角形分布压力的方法进行验算，不考虑梁的重力。梁的左截面形心
处设置固定铰支座约束，右截面形心处设置约束垂直位移的定向铰支座约束，来模拟简支梁的受力
情况。有限元网格采用四边形映射网格，最
小单元尺寸为 5 cm，共划分 60个单元，如图 1
所示。运用梁单元模拟简支梁的上下表面的 15cm
膜结构，并通过在 COMSOL 软件中的广义拉
伸函数，实现混凝土与膜单元之间的变形协
调。计算参数如表 1 所示 ［24］ 。 图 1 有限元网格及模型示意

表 1 计算参数表
材料 E/GPa v ρ/(kg/m ) 3 比例极限/MPa 抗拉极限/MPa
混凝土 25 0.167 2300 1.1
土工模袋 3.5 0.35 700 40 60

数值仿真计算结果表明：模袋混凝土梁的破坏过程与钢筋混凝土梁的破坏极为相似，可分为混
凝土拉应力达到开裂极限阶段、模袋应力达到比例极限阶段、模袋应力达到极限抗拉强度阶段的三
个阶段。根据模袋混凝土护岸的工作性能要求，宜以第二阶段为设计极限状态，具体变化规律如图 2
所示。随着最大外荷载增大到 120 kPa，模袋混凝土组合结构中的混凝土达到抗拉极限而出现开裂，

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