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，2，陆立国，葛建锐，李瀚翔

（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）

1 研究背景

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［1］，良好的水生态水环境建设是美丽乡村建设的重要目标［2］。作为水生态环境建设的重点，寒区河湖水系连通、国家及区域水网建设都需要通过河渠连通［3］。新型模袋混凝土衬砌护岸结构是河渠连通的重要方式，具有施工速度快、可以水下施工等特点［4］。将其结合卵砾石护底结构可以有效降低地下水位，减少结构的冻胀破坏［5］。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的冻胀破坏［5］。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。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［5］。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［23］。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

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，此时的变形很小，而受拉侧模袋材料的最大拉应力仅达到850 kPa，远未达到其比例极限，此为第一阶段；随着外荷载继续增大至180 kPa，裂缝继续发展，底部混凝土压应力及模袋拉应力不断增大，模袋达到比例极限，即40 MPa，此为第二阶段，如果卸载模袋还具有一定的弹性恢复能力，可以此为设计阶段；继续加载至200 kPa 时，混凝土继续开裂，模袋进入非线弹性阶段，应力达到最大抗拉应力60 MPa 而断裂破坏。因此，模袋可以显著提高结构的承载能力。

图2 上表面模袋拉力与外荷载关系曲线

2.2 模型的验证通过本节建立的有限元数值模型结合参考文献［25］中参数和边界条件，并将结果与其实验数据进行了对比，验证结果见图3所示。从图中可知，模型的数值计算结果与参考文献中的实验结果基本一致，相对误差小于8%，故该数值模型可以合理地反映出模袋混凝土梁在加载过程中的本构关系。

图3 实验与数值模拟结果对比

3 渠基土的水热力三场耦合模型

渠道冻胀变形过程受到温度、地下水、水分迁移、冰水相变以及基土-衬砌的界面相互作用等综合因素的影响，其冻胀机理十分复杂。而冻土水热力三场耦合具有理论成熟、公式清晰明确、便于有限元计算等优点，被广泛应用于寒区工程的冻胀预报中［26-29］。

3.1 热传导方程若不考虑土中水汽蒸发耗热、热辐射以及其它化学势的作用，仅考虑冰水相变问题和固体热传导，忽略对流传热项，则土体冻结过程的温度场方程为［30］：

与土颗粒、水、冰相比较而言，空气的恒压热容可忽略不计，于是可得冻土体的等效恒压热容和等效导热系数的半经验半理论公式［31］：

式中：T为温度，K；Cm为土的等效恒压热容，J/（kg·K）；λ为土的等效导热系数，W/（m·K)；θ为土体各成分的体积含量；Lf为冰水相变潜热，kJ/kg；t为时间，s；ρi为冰的密度，kg/m3；下标p、w、i、a 分别表示土骨架、液态水、冰、空气。

3.2 土壤水运动方程冻土在冻结过程中，未冻水在冻土中的饱和度随负温的变化规律与土体脱水现象相似。因此认为冻土中的水分运动规律可以用变饱和土的运动方程，即含源项Richard 方程来描述，方程如下［32］：

结合van Genuchten 提出的非饱和土-水特征曲线模型和渗透系数统计模型，方程如下［33］：

冰的存在导致冻土的导水能力降低，因此引入冰阻抗系数I。冰阻抗系数的大小取决于体积含冰率θi。渗透系数的变化如下式所示［34-35］：

式中：h为基质势（或水头），m；Ch=dθw/dh为比水容量，1/m；kr、ks、k分别为土体非饱和导水系数、饱和导水系数和考虑冰阻的导水系数，m/s；Se为等效饱和度；θs、θr分别为饱和体积含水率和残余体积含水率；ρw、ρi分别为水和冰的密度，kg/m3；i 为重力方向单位矢量；α、m为反映土水特征的曲线常数，α单位为1/m，m无量纲。

忽略冰压力的影响，由冻结曲线和链式求导法则推导出结冰速率［28］：

式中：Wu为未冻水的质量含水量，%；a、b为冻结曲线参数；Tf为冻土的冻结温度，K；ρd为土的干密度，kg/m3。

3.3 力学控制方程视冻土为弹性体，则其满足静力平衡方程：

物理方程：

几何方程：

式中：u 为位移张量，m；D 为材料刚度矩阵，Pa；F 为体力张量，N/m3；σ为柯西应力张量，Pa；ε为总应变张量；ε0为冻胀体应变张量。

假设冻土符合各向同性变形，则ε0表示如下：

式中：εv为水结冰膨胀引起的体应变；δ为Kronecker 张量符号。

3.4 基土与衬砌的接触模型在普通混凝土衬砌冻胀时，衬砌下表面与渠基土体冻结在一起，将基土冻胀力和冻结力全部传递给衬砌。而模袋混凝土衬砌冻胀时，底部模袋削弱了土体与衬砌的冻结力。据此，本文采用修正的弹性薄层模型，用于描述模袋作用下衬砌与冻土的接触相互作用。模型表达式如下［26-27］：

式中：σn、σt分别为法向和切向弹性反力，MPa；unl、utl为衬砌法向和切向位移，m；uns、uts为土体法向和切向位移，m；τf为基土与衬砌之间的冻结强度，MPa；Es为弹簧的法向刚度，取冻土的的弹性模量，MPa/m；G为弹簧的切向刚度，MPa/m；f为衬砌与基土之间的摩擦系数；ε为大于0 的极小数。

通过式（1）—（18）的变量和参数的耦合方式实现了冻土温度场、水分场、变形场耦合基本框架。由于模型控制方程的强非线性以及强耦合性，方程的求解只能采用数值方法。COMSOL 作为通用的多物理场耦合建模和分析软件，可以方便地实现对各物理场微分方程的数学表达和耦合求解，加之该软件具有便捷、直观的参数定义方式，可保证参数的准确定义。因此，本文采用多物理场耦合软件COMSOL 实现基于水热力三场耦合的冻土与建筑物相互作用的求解。

4 模袋混凝土衬砌渠道数值仿真

以宁夏银川灌区西干渠的弧脚梯形混凝土衬砌输水渠道为例，结合渠道冻胀水-热-力耦合方程，采用COMSOL 软件求解渠道水、热、变形分布规律。

4.1 渠道基本概况银川西干渠弧脚梯形渠道修建在季节性冻土区。银川属于中温带干旱区，大陆性气候，干旱多风、降水量少、蒸发量大、气温低，多年平均温度约为8.4 ℃，极端最低温度在-24 ℃左右，多年平均冻深为0.78 m，最大冻深为1.04 m。该地土壤一般11月下旬开始冻结，第二年的3月中下旬融沉结束，冻融期为110 d 左右［36］。渠道设计流量为70 m3/s，渠深3.0 m，正常水深2.5 m，底宽7.6 m，坡比1∶1.5。当地的地下水埋深较浅，距离地表1.5 m。渠基土为砂质壤土，干密度为1.70 g/cm3，孔隙比0.75，为冻胀敏感性土。土层埋深15 m 为地温恒定边界，故取自渠堤起向下15 m 作为模型下边界；渠堤两侧向外延伸4 m，不考虑阴阳坡效应的影响。

分别建立三个不同衬砌结构的渠道模型：形式一为卵砾石护底的模袋混凝土衬砌渠道，由于卵砾石的排水作用，水位位于渠底；形式二为卵砾石护底的普通混凝土衬砌渠道，同形式一，水位位于渠底；形式三为全断面混凝土衬砌渠道，水位位于渠底上部1.5 m。采用C25 现浇混凝土衬砌，模袋混凝土、卵砾石层以及普通混凝土衬砌厚度均为15 cm。

渠道属于线性工程，以平面应变问题考虑，具体断面及有限元模型示意图如下图4所示。有限元模型的原点位于渠底中心；整体采用四边形映射网格划分，最小单元尺寸为1 cm，最大为3 cm；最大时间步长5 min。在渠道上分别取点A、B、C、D作为有限元计算结果分析点。A点位于距渠顶3 m的渠堤上，B点位于渠顶处，C点位于渠坡中部，D点位于渠底中心处。

图4 有限元网格及数值模型示意（单位：m）

4.2 边界和初始条件（1）温度边界条件。上边界采用对流热通量温度边界，热通量传导方程采用牛顿冷却定律。

式中：n 为渠道边界外法向向量；Tamb为外界温度，K；T为边界计算温度，K；hc为对流热交换系数，W/(m2·K)，由风速来近似确定，公式如下：

式中：v为风速，m/s；根据现场气象数据，渠顶和渠底风速近似取5 和1 m/s，并采用线性函数进行插值。模型底部为恒温边界，取灌区多年平均温度8 ℃；模型的左右两边设为绝热边界，即热通量-n·∇T=0。

选取当地11月到次年3月的日平均气温作为外界气温，如图5所示。本文的计算周期为从平均气温降至0 ℃的11月20日至3月20日，即120 d，时长约为1 个冻融期。

图5 2020—2021年当地日平均气温曲线

（2）水分边界条件。地下水位根据不同形式具体情况确定；其他边界为无流动边界，即-n·∇h=0。

（3）力学边界条件。模型的左右边界以及下边界设为法向位移约束；考虑渠道护底卵砾石为非冻胀敏感性土且为松散介质，其冻胀变形对邻近衬砌基土的冻结约束可忽略不计，故只考虑其重力对基土的竖向压力、对侧向衬砌的水平压力以及摩擦力。其中，卵砾石对基土的竖向压力满足静水压力公式，对侧向衬砌的水平压力采用非黏性土的朗肯被动土压力公式［37］，摩擦力为水平压力乘以摩擦系数，表达式如下：

式中：Pv为卵砾石对基土的竖向压力，Pa；ρs为卵砾石的密度，kg/m3；d为卵砾石厚度，m；Ph为卵砾石对侧向衬砌水平压力，Pa；φ为卵砾石的内摩擦角，°；h为接触面上的各点和卵砾石表面的垂直距离，m；Fn为卵砾石对衬砌的摩擦阻力，Pa；fs为混凝土与卵砾石之间的摩擦系数；g为重力加速度，m/s2。

上部其他边界为自由边界。初始地应力通过自重应力获得。

4.3 计算参数浅层基土天然体积含水率为0.2左右，处于半饱和状态，液性指数为0.50 ～ 0.80，塑性指数为5.5 ～ 6.5，属低液限沙质壤土，其弹性模量、泊松比与温度的关系采用拟合公式即公式（24）（25）［11，29］。

土体各相、土水特征曲线及冻结曲线的参数取值见表2［28，38］；混凝土和卵砾石的热学、力学参数模型参数取值见表3［28，39-40］，衬砌与基土之间的接触参数取值见表4［26-27］。

表2 土性参数

表3 混凝土、卵砾石模型参数

5 结果与分析

由于渠道断面的几何对称性、边界条件的对称性以及网格的对称性等，取渠道断面的一半进行分析。根据模拟的结果，在渠底1 m 以下区域的温度恒为正且水分场不随时间变化，故只对渠底1 m以上区域进行结果分析。

5.1 温度场计算结果与分析虽然三种断面的地下水位不同，但由于均为浅埋地下水，且基土毛细作用较强，导致水分场虽有差距，但对温度场的结果影响不是很大。故此处仅对卵砾石护底的模袋混凝土衬砌渠道进行温度场分析。

图6 为不同时刻0 ℃等值线图，其中的子图为一个冻融期内的各特征点的冻深发展过程线。从图中可知，从11月20日开始，冻深线逐渐向深部发展；到1月20日左右达到最大，这种状态持续了大约20 天；从2月5日开始表层基土开始融化，但最大冻深仍然持续了一段时间；融化线不断下降且冻深线上升，最终在3月5日左右，基土温度基本全部恢复正温，冻土区消失，全部融化。渠顶的冻深发展曲线较渠底的变化较为剧烈，这是由于渠顶B点存在双向冻胀且风速较大，而渠底D点较为封闭减缓了热量的流失；渠堤A点基本不受这些因素影响，其变化幅度与渠坡上C点的变化幅度相当，处于B点、D点两者之间。结合0 ℃等值线图和冻深发展过程子图，可以知道渠顶最大冻深为1.20 m，渠底最大冻深为0.69 cm。与渠道所在地区常年的冻深接近，能够较为准确地反映渠道温度场分布。

图6 不同时刻冻深等值线

5.2 水分场计算结果与分析由于形式一、二渠道的排水条件相同，故渠道水分场、冰场等条件相同。选取三种形式渠道基土冻前时刻（11月20日）的渠顶B点体积含水率沿基土深度的分布计算结果，如图7所示。由图中可知，相比于形式三，形式一/二的渠坡两侧地下水含量明显较低，渠顶的差值在0.1 左右，降低率达到27.8%。这是由于全断面混凝土渠道阻碍了水分的排出。

图7 冻前时刻渠顶B 点体积含水率分布曲线

为进一步分析基土总体积含水率和体积含冰率分布的变化规律，取最大冻深时刻（1月20日）总体积含水、含冰结果进行分析，如图8、9所示。其中总体积含水率为体积含水率与体积含冰率折减后之和，且后文将总体积含水率与体积含冰率分别简化为总含水率和含冰率。从图8 可知，渠道存在明显的水分迁移，且水分聚集在渠道表面。对比图8 两张图得知：无卵砾石护底的衬砌渠道的水分迁移量更大。从图9 可知，渠道底部的含冰率均为最多，渠顶的含冰率最少。这是由于渠底距地下水较近，而渠顶较远，迁移水较少，迁移水结冰量较少。冻深最大之时，渠底的含冰率最大达到了0.3 m3/m3以上，总含水率达到0.7 m3/m3以上，已远大于土体孔隙率，而渠坡和渠顶的含冰率也达到了0.2 m3/m3以上，总含水率达到0.45 m3/m3以上，这会导致渠道产生严重的冻胀变形。对比图9 的两张图可以发现，是否存在排水结构导致含冰率有较大的差异。由于卵砾石护底的渠道可以有效地将两侧渠坡的地下水排入渠道，降低了地下水位，而全断面渠道的水分不能排出导致其聚集在两侧，从而使得卵砾石护底渠道的含冰率较全断面渠道有明显的降低，降低值达到0.15 ～ 0.2 m3/m3，最大降低率约为30%。

图8 1月20日总含水率分布（单位：m3/m3）

图9 1月20日含冰率分布（单位：m3/m3）

5.3 变形场计算结果与分析由于混凝土衬砌的破坏主要发生在冻结期，故本文侧重讨论冻结期的受力变形规律。

5.3.1 渠道衬砌冻胀量变形分析 选取三种形式渠道不同时刻右侧衬砌结构的法向冻胀变形量沿渠周的分布情况，如图10所示，虚线为渠坡和渠底的分界，左侧渠底，右侧渠坡。由图10 可知，渠道的冻胀量在冻结期随时间逐渐增大；渠道冻胀量在1月20日达到最大，这与该时刻的含冰率最大相对应；之后，气温回升，渠基土开始融化，冻胀量开始降低。从冻胀量分布情况可知，弧脚梯形渠道衬砌因基土的冻胀作用，呈现渠底向上隆起，两侧坡板向渠中凸起，整体有一定上抬的变形趋势。其中在渠底处的冻胀量最大，渠顶的冻胀量最小。这与渠道含冰率的分布规律一致。

图10 渠道法向冻胀量分布

图11 为1月20日三种形式渠道的法向冻胀量沿渠周的分布情况。形式一渠道结构的渠底和渠坡的最大冻胀量分别为6.2 和5.5 cm；形式二渠道结构的渠底和渠坡的最大冻胀量分别为5.7 和4.5 cm；形式三渠道结构的渠底和渠坡的最大冻胀量分别为8.3 和7.4 cm。对比形式一和形式二的冻胀量可知，模袋混凝土衬砌渠道的最大冻胀量比普通混凝土略微增大；渠底增大约0.5 cm，渠坡增大约1.0 cm。这是由于模袋减小了衬砌与基土之间的冻结力，导致冻胀力得到一定的释放，使得结构冻胀变形增大。对比形式二和形式三可知，全断面混凝土衬砌渠道的最大冻胀量比卵砾石护底渠道明显增大；渠底增大约2.6 cm，渠坡增大约2.9 cm。这是由于全断面渠道阻碍了渠道两侧水分的排出，导致渠道基土冻结期内冰含量较高，产生了更为严重的冻胀变形。

图11 1月20日不同渠道形式冻胀量对比

定义渠坡不均匀冻胀量H值，计算公式如下所示。

式中：h1、h2分别为渠坡底、渠顶的冻胀量，cm；x1、x2分别为渠底、渠顶的水平坐标，m。计算所得结果如表5所示。

根据表5 的结果，形式一与形式二的渠坡不均匀量较为接近，这是由于两种断面的结构相同，仅接触作用不同。相比于形式一与形式二，形式三的不均匀冻胀量增大了1 倍多，说明全断面的衬砌形式的不均匀变形程度较大。这是由于卵砾石对混凝土衬砌的约束作用较弱，而全断面混凝土衬砌在渠脚处约束作用明显。

表5 渠坡不均匀冻胀量（单位：cm）

5.3.2 渠道衬砌结构应力分析 三种不同结构形式的渠道右侧坡板衬砌上下表面正应力分布如图12所示。由图中可知，三种形式渠道的正应力分布规律相似，即在渠坡上部的上表面受压、下表面受拉呈现下凹弯曲；在渠坡下部的上表面受拉、下表面受压呈现上鼓弯曲。常规混凝土的极限拉应力和极限压应力分别为1.1 MPa 和-10 MPa。图中可知，在渠道坡板1/2 处的上表面，坡脚上部1/3 处的下表面易产生受压破坏；渠道坡板在渠顶下表面，坡脚上部1/3 处的上表面易产生受拉破坏。

图12 衬砌的上下表面正应力分布

选取不同形式渠道的正应力极值如图13所示。无论上下表面，全断面混凝土渠道（形式三）的正负应力极值都是较大的，这与上节该形式的不均匀程度最大基本对应。卵砾石护底模袋混凝土衬砌渠道（形式一）可以有效减小衬砌板所受到的拉压应力极值，使其逐渐进入或靠近安全区域；相比于形式三，形式一渠道结构的上表面拉、压应力分别减少了73.3%和37.8%，下表面拉、压应力分别减少了42.5%和52.1%；相比于形式二，形式一渠道结构的上表面拉、压应力分别减少了48.3%和42.6%，下表面拉应力增加了21.7%，压应力减少了35.8%。同时，形式一渠道结构形式可以有效地减少拉压应力极值差，使得自身受力更加均匀化，如图14所示。这与上节该形式的不均匀冻胀量较小的反映相一致。

图13 不同形式渠道正应力极值

图14 不同形式渠道正应力极值差

5.3.3 浅埋地下水区模袋混凝土的冻胀适应性分析 建立模袋混凝土衬砌断裂失效有限元模型来模拟模袋混凝土破坏的冻胀过程，边界条件与形式一相同。图15 为基土最低温度分别达到-10、-13及-14 ℃时的法向冻胀力分布。从图中可知，当基土温度达到-10 ℃时，衬砌底部约1/3 处混凝土开裂且最大法向冻胀力达到170 kPa；随着基土温度的降低，对护坡产生的冻胀力增大，当基土温度达到-13 ℃时，模袋达到比例极限且最大法向冻胀力达到250 kPa，冻胀力提高47.1%，抵抗基土的负温提高3 ℃，提高30%；随着基土降温至-14 ℃，模袋达到强度极限，衬砌最大法向冻胀力达到270 kPa，冻胀力提高58.8%，抵抗基土的负温提高4 ℃，提高40%。冻胀力以及抵抗负温的能力提高反映出模袋混凝土衬砌渠道的抗冻胀能力明显提高。

图15 法向冻胀力分布（单位：kPa）

模袋混凝土的冻胀适应性分析：由前文可知，卵砾石护底的模袋混凝土衬砌渠道（形式一）可以有效地降低渠坡地下水位，缓解渠道的冻胀破坏；同时由于模袋混凝土衬砌与基土之间冻结力的减弱以及卵砾石护底的弱约束，使得渠道衬砌的不均匀冻胀量明显减弱，进而渠道的拉压应力值有了明显的下降。另一方面，模袋混凝土衬砌在冻胀过程中的拉应力已经超过混凝土的极限拉应力，混凝土已经产生了局部断裂。相比混凝土材料，由于模袋材料的抗拉性能较好，当模袋内的混凝土断裂后，模袋结构还未破坏，起到锁链作用。因此模袋对混凝土起到支护作用，可以有效的防止混凝土鼓胀滑塌，同时混凝土的开裂使得渠道衬砌自行分缝，可以一定程度释放冻胀力，缓解渠道的进一步破坏。因此，卵砾石护底的模袋混凝土衬砌护岸具有优越的冻胀适应性，尤其是在浅埋地下水区具有很大的使用价值，如在宁夏、内蒙古等灌区渠道和河湖边坡治理上可以进行推广。

6 结论

基于冻土水热力三场耦合理论和弹性薄层接触模型，考虑卵砾石护底、模袋混凝土衬砌及普通混凝土衬砌等组合结构渠道，建立了三种结构形式渠道的冻胀破坏模型，探讨并剖析了模袋混凝土的冻胀破坏机理，为寒区浅埋地下水河渠护岸衬砌的设计提供了合理的依据。得出以下结论：

（1）本文建立的渠道冻胀模型可以有效地反映渠道温度场、水分场的情况，与当地情况基本吻合。对于浅埋地下水区，卵砾石护底衬砌渠道有助于渠道两侧水分的排出，降低渠道的地下水位，边坡含水率减小最高达到27.8%，从而基土含冰率减小约30%，提高了渠道适应冻胀的能力。

（2）由于模袋混凝土衬砌下部模袋与基土之间冻结力的减弱，导致渠道的应力值有了明显的下降。在卵砾石护底结构的相同条件下，相比于普通混凝土衬砌渠道，模袋混凝土衬砌渠道的表面应力减小了35.8% ～ 48.3%，且不均匀冻胀量减小约0.2 cm。

（3）由于卵砾石护底对护岸坡脚的弱约束作用，使得渠道衬砌的不均匀冻胀量明显减小，进而渠道的拉压应力值有了明显的下降。相比于全断面混凝土衬砌渠道，卵砾石护底的混凝土衬砌渠道的表面应力减小了37.8% ～ 73.3%，且不均匀冻胀量减小1 cm。

（4）模袋混凝土破坏失效过程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。在冻胀过程中，模袋混凝土衬砌渠道的应力已远大于混凝土的抗拉强度，这必然导致模袋内部混凝土的开裂，但是由于上表面模袋的链接作用以及将模袋拉应力达到弹性比例极限为失效准则，则抗冻胀能力提高约47.1%，负温抵抗能力提高约30%；同时破坏后的混凝土会自行分缝，释放应力，缓解破坏。

本文对三种渠道形式进行冻胀破坏数值分析，得到了一种冻胀适应性非常优良的护岸衬砌结构，即卵砾石护底的模袋混凝土护岸的河渠结构。这种结构可以较好地应用于我国北方河流、湖泊以及地下水位较高的灌排渠道护岸工程中，但是对于深埋地下水河渠的适用性还有待进一步研究。