渠道衬砌冻胀破坏研究现状与展望

郑鑫，葛建锐，刘少东，刘金云

（黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319）

长期以来，国家把做好“三农”工作放在突出重要的位置，在投资方面坚持把“三农”作为中央预算内投资的优先领域。2014年将安排700 多亿元加强以水利为重点的农业基础设施建设，支持引水调水、骨干水源、江河湖泊治理、高效节水灌溉等重点项目。在灌渠基础设施建设得到了迅猛发展的同时，季节性冻土区灌渠衬砌冻胀破坏成为制约北方寒区农田渠道输水灌溉效果的瓶颈。黑龙江省水利科学研究院多年的调研结果表明，黑龙江查哈阳大型灌区有90 多座的大中小型灌渠受到各种程度冻胀破坏，冻害率高达83%[1]。2007年五常灌区100 余座渠系的完好率不足10%[2]。灌渠衬砌结构冻胀失稳破坏严重，影响工程效益的正常发挥。目前，最为常见的灌渠衬砌冻胀破坏现象是渠底土冻胀引起的拱起、渠壁混凝土板由于土体冻胀引起的脱落、坡底和坡脚连接处冻裂使砌石裂缝破坏、渠道侧壁上的墙压顶石上抬破坏，如图1 所示。下面从冻胀破坏理论、渠道衬砌冻胀破坏两方面进行总结。

1 冻胀破坏理论

1.1 冻土理论

上世纪20年代起，前苏联学者就开始了对冻土的研究，主要集中在冻土调查[3]、冻土物理力学性质[4-5]及简单的工程应用理论[6]。其中，著名岩土工程专家崔托维奇于1973年撰写的《冻土力学》[7]，综合归纳总结了大量的试验研究及理论分析结果，奠定了冻土力学学科研究基础。上个世纪90年代，我国学者相继对冻土展开研究，初期同样集中在冻土物理力学性质[8]及内的冻土调查[9-10]等方面。这些基础性研究工作为土的冻胀理论建立及发展奠定了坚实的基础。

图1 常见的灌渠衬砌冻胀破坏现象Fig.1 Common phenomenon of heaving damage on canal lining

1.2 冻胀理论及模型建立

针对冻胀中的水热传递、热传导和土颗粒孔隙中液态水的流动粘滞，J.R.Philip 和De Vries 于1975年提出了水热耦合迁移模型[11]，并对土冻结时温度梯度变化、热能传递、水的相变做出了一系列研究成果。1977年，Miller 和O’Nell 在第二冻胀理论的基础上考虑了冻结缘的水热耦合，建立了刚性冰模型[12]，由于该模型必须假定大量的物理参数，使得模型在实用上存在很多缺陷[13]。利用有限差分法对土体冻结过程数值计算，得出该过程温度、含水率的变化规律，Harlan 于1973年提出了水动力学模型[14]。但是该模型对水分迁移情况只适用于一维状态。1978年Konrad 采用有限元和数学分析方法对冻胀过程土中温度、水流、冻胀量进行了预测，建立了分凝势模型[15]。根据控制不同温度梯度对水分迁移大量试验研究，Konrad 和Morgenstern[16]于1981年完善了分凝势模型，将活动透镜体与冻结缘接触的冻结吸水速度和冻结温度之间的关系参数SP 定义为分凝势，但由于该参数与含水量、温度变化、冻胀速率等因素有关，目前很多学者正致力于对其物理意义和实际应用的探究。在对分凝势理论的进一步扩展的基础上，Shen Mu 和Branko Ladanyi 于1999年提出了温度场、水分场、应力场三场耦合模型[17]，其把迁移水分量简单等效成一附加变形作用在应力场上，仅能称其为准三场耦合模型。

这些经典理论和冻胀模型的建立，为解决寒区土的冻胀力计算奠定了基础，但对现场工程实际应用性不强。个别模型的约束条件、基本假定具有限制性，往往不能模拟现实的工况。模型建立过程复杂，参数选择困难以及方程的求解困难，使得其可操作性差、误差大，因此，冻胀理论与试验的研究还需要继续进行，对冻胀模型改进有待进一步深入。

2 渠道衬砌冻胀破坏理论与实践

建国后，我国进入了大规模建设水利工程基础设施的时期，水利投资增长速度较快，但是由于当时对冻害认识不足，在规划设计中对冻胀破坏未予以充分考虑，使得该时期修建的水利设施在投入使用后不久就开始出现冻胀破坏。直至上世纪60年代初至70年代末期，北方寒区的水利工程部门开始关注水工设施的冻害现象，并开始对这一现象进行调查、观测和研究。这些工作开展的深度和广度有限，但对冻害的破坏形式、原因、变化规律及防治措施有了基本认识，为该项工作的进一步研究奠定了基础。

张钊[18]在1993年根据建立二维非稳态温度场后运用有限差分法对渠道地基土发生冻胀时温度场、应力场进行了数值模拟分析，总结出了冻胀时渠道基土温度场分布规律，同时模拟计算了衬砌结构受冻胀时渠底和边坡所受的冻胀力，但模拟结果未经试验及实测验证，可信度不高。

西北农林科技大学王正中教授的科研团队对衬砌渠道抗冻防渗工作做了大量研究工作，尤其对“建立混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型”做了深入研究。陈涛[19]等根据分析前人建立的冻胀机理模型及灌渠冻胀破坏主要影响因素，通过研究建立陕西本地渠道衬砌抗冻害的力学模型，得出渠道衬砌冬季冻胀量、最大冻深、冻胀时的衬砌下土的含水量、冻胀气温等研究数据；李甲林[20]通过研究分析三场耦合模型，并对其计算结果与甘肃靖会总干梯形与弧底梯形渠道及宝鸡峡灌区源下北干渠工程实测值进行对比，验证了其三场耦合模型的准确性，并获得了“土体冻结过程中随深度的变化温度和含水量的变化规律”、“温度变化对冻胀量及其系数的影响情况”两点研究成果，从而为估算灌渠冻胀破坏和进行衬砌结构定量分析提供技术支持；辛英华[21]对混凝土渠道衬砌受冻胀破坏和水分迁移对结构受力特点进行了综合分析，找到了U 型渠道最佳断面，并根据这种最佳断面分析了法向冻胀力、切向冻胀力和弯矩在渠道的分布规律，为U 型渠道断面设计提供理论基础。

针对“建立冻土与建筑物相互作用的水热力三场耦合力学模型”，张茹[22]应用有限元软件ANSYS 建立合理U 型混凝土渠道衬砌冻胀力学模型，得出了三场耦合应力—应变渠道模型的受力分布规律，并结合工程实际对模型进行了验证，最终为季节性冻土区U 型渠道抗冻防渗工程设计提供了针对性的建议；郭利霞[23]等学者为了研究渠道衬砌冻胀破坏特性及冻害变形特征，以梯形混凝土衬砌渠道为例，运用有限元软件ANSYS 建立合理的二维数值模型，对模型进行三场耦合研究分析，分析结果与工程现场实测数据非常接近。

通过对弧底梯形渠道模型进行合理的假设和简化处理，王正中等[24]于2008年系统的提出了这种混凝土衬砌整体结构冻胀破坏的力学模型，并获得计算冻胀应力的数值公式和其它冻胀破坏的计算方法，从而为冻胀量计算和衬砌施工量分析提供了方法。运用这些方法进行计算，结果表明弧底梯形渠道具有适应变形及抗冻胀能力强、冻胀力分布均匀、恢复力强的特点，优于梯形断面渠道；孙杲辰[25]在线弹性断裂力学的基础上建立冻胀结构力学模型，并把冻胀力加到模型上，通过这种有效方式，应用于冻胀使渠道混凝土衬砌板的受力分析，然后分别对该渠道模型阳坡、阴坡和渠底3 个不同位置做受力计算。最后表明：通过渠道混凝土衬砌抗冻力学模型应用到渠道混凝土衬砌体设计是一种符合实际工程简单有效的方法；安元[26]结合甘肃靖会灌区的一种梯形渠道，应用有限元软件ADINA 对不同太阳辐射值下的渠道冻胀受力特性进行了计算分析，根据分析结果，得出渠道在不同坡度状态下的温度场、位移场和应力场的分布情况和变化特征，为设计渠道抗冻害最佳受力断面提供了依据。

关于渠道“抗冻防渗新技术”，韩苏建、陈涛[27]等对陕西关中5 个地级市、25 个县区九大灌区进行调研分析，对该地区的各类渠道的抗冻防渗的特点做了详细的调研说明，提出了目前抗冻防渗渠道建设中不足之处和今后的改良措施；张茹[28]通过对渠道冻胀时地下水位、渠道地基土冻胀特性、渠道衬砌断面形式和衬砌材料、渠道的阳坡阴坡等因素调研，对渠道冻害机理和特点做了详细分析。提出渠系规划、改善保温防渗抗冻措施、换填地基土处理、改善地基土压密措施、优化渠道结构形式、改善管理能力等合理方法，为渠道衬砌抗冻提供了参考；王正中教授[29]根据我国渠道冻害破坏的影响因素和冻胀机理、冻土渠道的预报模型、冻土计算模型、混凝土渠道冻害力学模型以及我国渠道抗冻防治的措施等方面的总结，从中提出了对于渠道建设存在的不足之处和今后渠道抗冻防治8 点建设措施。

针对西北地区灌渠土质、气候、含水率等重要冻害影响因素，王正中等对“建立混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型”、“建立冻土与建筑物相互作用的水热力三场耦合力学模型”、“求解渠道衬砌板内力以及渠道抗冻胀破坏验算等一系列计算方法”和“新型抗冻技术”做出了系统的研究。但由于西北和东北土质、气候环境特征等具有很大的差异性，其研究结果对东北高寒灌渠冻害的研究具有较大局限性。

2005年同济大学的许强、彭功生[30]根据Harlan的水动力学模型，结合工程实况建立了计算土冻胀过程中的数值模型。通过对水分场、温度场、应力场的统一空间区域采用有限单元法和时域的有限差分，使温度、应力、含水量耦合效果更好。并根据这种方法对渠道地基土冻胀时的三场耦合模型模拟，效果理想。2006年西安建筑大学魏笑笑、王成军[31]应用VRML 虚拟程序模拟灌渠衬砌冻胀三维模型，较好地实现了多种因素对渠道冻害影响的模拟，为工程实际计算提供了数据模拟平台。2009年新疆石河子大学李超等[32长期对新疆地区季节性冻土进行观测，根据该地特殊环境，对地下水埋深、地基土粒组成、土的含水量、温度、积雪等因素综合分析，结合多种假设冻胀力学模型方程，探求出冻土深度的合理求解方法，为工程设计应用提供有力支持。徐峰等[33]通过冻胀理论基础和合理的有限元数值模型建立，应用有限元软件ANSYS 分析了冻深与温度的关系及渠道衬砌冻胀受力后的冻胀力分布规律。杨光[34]对北方高寒地区冬季多次冻融循环影响下的阳台窗台进行了冻胀应力分析，对裂缝的产生和发展给出了解释及处理措施。

以上总结的文献基于西北地区黄土进行研究，由于土的类别、地下水的分布及气候环境等因素与东北地区不同，其结果的应用性较差。还有的研究理论性很强，实际应用过程中的可操作性差。鉴于东北地区水资源供给日趋紧张的现状，针对东北地区气候条件及土质条件，研究灌渠衬砌冻胀破坏及防治措施具有重要的意义。

我国的《渠系工程抗冻胀设计规范》和《渠道防渗规范》于1991年首先制定并颁布。之后2006年《渠系工程抗冻胀设计规范》和2010年《渠道防渗工程技术规范》又进行了重新修订。其中对“冻结深度、冻胀量、土的冻胀性及地基土的冻胀级别及冻胀力”、“衬砌渠道的抗冻计算”、“衬砌渠道的抗冻胀结构及工程措施”等做了详细规定和施工指导。这类规范是针对全国范围内的水利设施制定的，具有一定的指导意义，但对地区的差异性考虑较少，有必要在系统研究的基础上建立不同区域的地方标准。

3 渠道冻害研究的发展前景

根据以上总结，目前对渠道抗冻胀力学分析及抗冻措施已有一定阶段性的研究成果，但是仍有多问题需要人们探索：

（1）现阶段国内学者对灌渠冻胀破坏的有限元模拟已很熟悉，都以利用ADINA、ABAQUS、ANSYS对冻胀应力场、水分场、变形场等为核心分析，但是这些模拟结果的准确性和稳定性很少有做检验，进而对实际工程适用性一直不高，有待今后深入系统研究。

（2）冻胀力对渠道衬砌破坏的是一个复杂的问题，和衬砌材料、渠道断面、土质颗粒组成、当地气温、土质含水量、冻胀率等因素都有很大关系，而现阶段国内学者采用的渠道模型建立或建立的函数关系和这些因素联系度不够，使研究成果的仿真效果不明确。

（3）现阶段有很多学者对渠道冻胀建立了复杂的力学模型，但多数模型的准确性却一直没有得到学界认可，工程应用的广度也不够。

根据我国目前灌渠冻害研究发展现状存在的问题，我们认为应采用“工程现场调研实测、试验实测与模型模拟相结合”的系统研究方法。首先，要针对所研究地区灌渠冻害做系统的实测调研工作，对所观测渠道所在地点的地貌环境、气温变换、土质特性等重要冻胀影响因素做系统记录。其次，要对影响渠道冻胀破坏的影响因素（含水率、温度梯度、土质特点、衬砌强度等）做有针对性的梳理，通过建立合理化的试验方案，经过系统分析后确定出对影响灌渠冻胀破坏的主次因素，找到这些主次因素之间存在的有效关系，根据这些试验数据，建立并完善已有的力学模型。最后，根据试验分析过的冻胀影响因素，有针对性地建立合理的灌渠冻胀有限元模型，制定科学系统的模型边界条件、参数选取，根据模拟渠道冻胀结果与根据试验实测后建立的力学模型计算结果综合对比分析，权衡工程现场实测的有效性反复调整模型，完善两种模型。建立整套实用性强、分析结果准确的力学、有限元灌渠衬砌冻害模型，为工程建设提供有力依据。

［1］杨革.季节冻土区灌区建筑物的冻胀特性及抗冻措施［D］.大连：大连理工大学，2005.

［2］李金玲.季冻区渠道边坡冻胀防治试验研究［D］.哈尔滨：东北农业大学，2013.

［3］苏姆金.苏联境内永久冻结土壤［M］.北京：科学出版社，1927.

［4］崔托维奇.冻土力学原理［M］.北京：科学出版社，1952.

［5］马祖罗夫.冻土物理力学性质［M］.北京：北京煤炭工业出版社，1980.

［6］叶尔绍夫.工程冻土学［M］.莫斯科：莫斯科大学出版社，1999.

［7］崔托维奇，张长庆，朱元林，等.冻土力学［M］.北京：科学出版社，1985.

［8］吴紫汪，马巍著.冻土强度与蠕变［M］.兰州：兰州大学出版社，1993.

［9］周幼吾，郭东信，程国栋，等.中国冻土［M］.北京：科学出版社，2000.

［10］周幼吾，吴紫汪.近40年来东北地区季节冻结与融化层温度变化与气候变暖［C］//第五届全国冰川冻土学大会论文集（上）.兰州：甘肃文化出版，1996：3-10.

［11］Philip J R ，De Veries D A.Moisture Movement in Porous Material under Temperature Gradient ［J］.Trans Am Geophys Union，1957，38（2）：222-232.

［12］O'Nell K，Miller R D.Exploration of a rigid-ice model of frost heave［J］.Water Resources Research，1985（21）：281-296.

［13］Taylor G S，Luthin J N.A model for coupled heat and moisture transfer during soil freezing［J］.Can.Geotech.J，1978（15）：548-555.

［14］Harlan R L.Analysis of coupled heat-fluid transport in partially frozen soil water resoures research［J］.Warer Resources Research,1973，9（5）：1314-1323.

［15］Konrad J M，Morgenstern N R.A mechanistic theory of ice lens formation in fme-grained soils ［J］.Canadian Geotechnical Journal，1980（17）：473-486.

［16］Konrad J M，Morgenstern N R.The Segregation Potential of a Freezing Soil ［J］.Canadian Geotechnical Journal，1981（18）：482-491.

［17］She Mu，Branho Ldanyi.Modelling of coupled heat，moisture and stress field in freezing soil ［J］.Cold Region Science and Technotogy，1999（14）：237-246.

［18］张钊，吴紫汪.渠道基土冻结时温度场和应力场的数值模拟［J］.冰川冻土，1993，15（2）：332-338.

［19］陈涛.混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型及应用［D］.咸阳：西北农林科技大学，2004.

［20］李甲林.渠道衬砌冻胀破坏力学模型及防冻胀结构研究［D］.咸阳：西北农林科技大学，2008.

［21］辛英华，王正中.U 形衬砌渠道结构及水力最佳断面的分析［J］.节水灌溉，2008（2）：36-39.

［22］张茹.大U 型混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型及数值模拟［D］.咸阳：西北农林科技大学，2007.

［23］郭利霞，王正中，李甲林，等.梯形与准梯形渠道冻胀有限元分析［J］.节水灌溉，2007（4）：44-48.

［24］王正中，李甲林，陈涛，等.弧底梯形渠道混凝土衬砌冻胀破坏的力学模型研究［J］.农业工程学报，2008，24（1）：18-23.

［25］孙杲辰，王正中，王文杰，等.梯形渠道混凝土衬砌体冻胀破坏断裂力学模型及应用［J］.农业工程学报，2013，29（8）：108-115.

［26］安元.太阳辐射对旱寒区衬砌渠道冻胀影响研究［D］.咸阳：西北农林科技大学，2013.

［27］韩苏建，陈涛，孙刚锋，等.渠道基土冻结时温度场和应力场的数值模拟［J］.防渗技术，2002，2（8）：5-8.

［28］张茹.季节性冻土地区衬砌渠道冻胀及防治措施［J］.山西水利科技，2006，160（2）：34-36.

［29］张茹，王正中.季节性冻土地区衬砌渠道冻胀防治技术研究进展［J］.干旱地区农业研究，2007，25（3）：236-240.

［30］许强，彭功生，李南生，等.土冻结过程中的水热力三场藕合数值分析［J］.同济大学学报，2005，33（10）：1281-1285.

［31］魏笑笑.渠道衬砌体冻胀可视化仿真分析系统研究［D］.西安：西安建筑科技大学，2006.

［32］李超，刘建军，程建军，等.季节性冻土地区土壤冻结深度的研究［J］.冻土与地基基础，2009，10（3）：81-83.

［33］徐峰，刘建军，庞巧东.寒冷地区渠道基土温度场特性研究［J］.低温建筑技术，2010（11）：89-90.

［34］杨光.冷阳台窗台冻胀机理分析与处理方法研究［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2012，24（1）：11-13.