渠道冻土模型研究现状及发展趋势

芦 琴

（陕西杨凌职业技术学院 水利工程学院，陕西 杨凌 712100）

1 引言

我国国土面积960万km2，其中多年冻土区占21.5%，季节冻土区占53.5%，工程冻害普遍严重。广大旱寒地区地表土层由于气温周期性变化而产生反复冻结与融化，冻融过程中伴随水分迁移及相变，导致土体冻胀于融沉，严重威胁着冻土层上各类建筑设施的安全运营，如渠道衬砌冻胀破坏、道路翻浆、桩基冻拔、房屋开裂等，尤其是在水文地质不良地带，危害更大。特别是季节性冻土地区的灌排渠道冻胀破坏非常严重，致使衬砌渠道因冻胀破坏使渠系输水损失近50%，造成巨大浪费，加之年年维修，年年破坏，不仅浪费大量人力、物力和财力，而且影响工程正常运行及效益，制约着灌区健康发展及粮食安全生产。渠道衬砌防身抗冻胀是提高灌溉水利用率的关键措施之一。

北方旱寒灌区自然条件十分恶劣，干旱缺水，集结冻土分布广泛，衬砌渠道冻害问题一直受到农田水利工程界的关注。渠道冻胀破坏的根本原因是寒冷气候条件、冻胀性渠基土质与水分补给导致基土冻胀，加之以经验为主设计的渠道衬砌板与结构形式自身强度较低，在受到不均匀分布的冻胀力与冻结力的作用下发生冻胀破坏。但因冻害机理复杂、影响因素难以彻底改变或消除，目前还不能从根本上解决问题。进一步开展衬砌渠道冻胀破坏模型及抗冻胀结构新形式等关键技术的研究，探讨适合广大旱寒灌区农田水利工程建设的新型衬砌结构及相应的设计理论和方法，是连续两年中央一号文件加强农田水利（渠道衬砌约占50%－60%的投资）建设的重要任务。旱寒区渠道冻胀破坏问题的解决不仅对农业灌溉、农村供水、小水电建设等工农业生产及人民生活有着重大影响，而且可以最大限度减少水资源损失及浪费，提高工程效益及管理水平，对于北方旱寒灌区建设和粮食安全及经济发展具有重要的社会经济效益及现实意义。

2 研究现状

衬砌渠道冻胀破坏的直接原因是基土冻胀，水热力三场耦合模型是对其冻胀机理和冻结过程进行定量描述的科学方法，这一直是国际冻土界研究的前沿与热点。

目前，常见的三场耦合模型主要可以归纳为经验半经验模型、水动力模型、刚冰模型和热力学模型。国外最具有代表性的有Harlan R L的水动力模型、Miller提出的第二冻胀理论和O’Neill提出的刚冰模型。

国外在土体冻结耦合效应研究方面起步较早，Harlan R L提出了水热耦合的概念，并建立水动力学模型，将冻胀理论研究推向量化研究的新阶段。O’Neill和Miller基于第二冻胀理论考虑了冻结缘内水、热迁移过程的耦合现象，考虑了相变加入的作用，建立了刚冰模型。Shen Mu和B。Ladanyi等人在Harlan水动力学模型的基础上，把迁移的水分量简单等效成一附加变形而作用在应力场上，从而建立起准三场耦合模型。Duquennoi提出了冻土的热学力学水、热、力三场耦合模型。Fremond和Mikkoa在此基础上考相变膨胀、荷载对冻土变形及变形对水分迁移的影响，进一步发、完善二场耦合模型。

李洪升等在刚性冰模型基础上，将冻土体视为均匀连续且各向同性的空间弹性体来进行应力分析，提出了三场耦合的一般数学模型。何平等考虑密度场的变化以及应力场对地土体的变形和水分凝冰形成的作用，对饱和正冻土的三场耦合理论进行理论探索。李宁、陈飞熊提出了饱和正冻土的三场耦合理论进行理论框架，更全面的描述了正冻土的水、热、力与变形的实际状态。周作家提出冰透镜体形成分离孔隙率判定准则，对导水率进行修正，建立了饱和正冻土三场耦合模型。刘雄等将建立的含损伤的冻土弹性本构模型用于应力场的分析并与温度场和水分场联合，建立了考虑以稳态温度场为初始条件的瞬时热传导问题的三场耦合模型。朱志武等提出了考虑冻土非线性本构含相变的水、热、力耦合数学模型。许强等考虑体积应变对温度场重分布的影响，推导出更为完善的温度场方程和体积应变计算式，强化了温度场与应力场的耦合效应。武建军和韩天一在刚性冰及水运动力学模型基础上，建立了饱和土冻结过程中水、热、力耦合动力学模型。

一系列水热力耦合模型的建立，从不同角度对土体冻结机理进行研究，丰富与发展了冻土力学理论。但是，这些三场耦合模型只考虑了水热力之间的耦合，很少考虑水热力特征参数随三场耦合变化，更没有考虑冻土基础与建筑物的相互作用，然而冻害的发生正是由于这种相互作用的结果。

3 研究趋势

众多学者提出了冻土的各种三场耦合模型，主要关注点都在于土体冻结过程中水、热、力三场的耦合，而对于有关水、热、力三类特征参数与三场动态耦合模型，但是却没有深入研究水、热、力三类特征参数取值合理与否直接决定着三场求解的正确性。因此，建立三场耦合模型的关键基础工作是研究能够准确描述土体冻结过程的冻土材料力学、水动力学及热力学三类特征参数随三场耦合变化规律。在对冻土力学性质随三场变化的研究中，国内外学者从热力学、混合物理论等角度出发建立起冻土的各种力学模型。周国庆从试验角度分析了温度梯度对冻土弹性模量的影响，并建立了反映温度梯度与冻土变形特性关系的数学模型；何平等采用损伤力学理论，提出冻土粘弹塑性损伤耦合本构理论；宁建国等从复合材料的细观力学理论出发，建立了含损伤的冻土弹性本构关系，将冻土的内部组构与宏观的冻土力学行为结合进行研究；孙星亮等建立了冻土弹塑性各向异性损伤本构方程；李栋伟等基于热力学原理和统计损伤理论建立了相关联流动法则下的冻土蠕变损伤耦合本构方程；王正中等通过对冻土形成过程及细观组构特点的分析，应用复合材料力学理论及实验测定，认为冻土是非线性横观各向同性材料，并建立了相应的冻土本构模型及强度准则，并结合生产实际进行了应用研究。

实际上，土体冻结时，温度场变化会引起未冻区水分向冻结锋面迁移，冻土的细观组构也随冰、水、土粒、气各相比例的变化而同步变化，并伴随有大量相变潜热产生，影响土体热物理参数、水动力学参数及冻土力学参数，从而改变温度场、水分场及土体内有效应力场的变化及分布，也影响着冻结线进程；温度场和水分场又决定着土体冻融状态，反过来又影响土体热物理参数、水动力学参数及冻土力学参数，进而引起冻胀位移场和应力场的变化。因此，不仅土体冻融过程是温度、水分、应力三场耦合的复杂过程，而且土体冻融过程中三场变化也导致冻土细观组构及物理性状的不断变化，进而使其水热力三类型特征参数随之变化。

4 冻土模型研究发展的展望

目前基于冻土三场耦合理论的渠道冻胀研究不仅将冻土水、热、力特征参数取为定值，而且将衬砌结构自重等效为静态荷载边界，既没有考虑冻土水、热、力特征参数随三场的变化，也没有考虑衬砌结构与渠道冻土的相互作用过程，而考虑冻土与衬砌相互作用的渠道冻胀破坏研究却没有考虑三场耦合效应。这不仅无法反映冻土冻胀过程中特征参数耦合变化的动态耦合机理，也无法反映冻土与衬砌相互作用的衬砌渠道冻胀破坏机理。

要科学定量地揭示冻土上建筑物的破坏机理，就必须先研究清楚土体冻结过程中特征参数随水热力三场的变化规律，并基于此建立冻土水热力动态耦合模型，通过对冻土与衬砌结构采用一体化建模，考虑建筑物与冻土的相互作用，利用数值模拟与模型试验、原型监测相结合，建立科学严谨的冻土三场动态耦合模型及衬砌渠道冻胀破坏模型，进一步开发结构简单、经济耐久的渠道抗冻胀新结构，这也是农田水利工程建设中丞待解决的关键技术问题。

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