我国季节冻土区和永久冻土区分布广阔,在这些地区修建混凝土衬砌渠道,经常会遇到渠基冻土冻胀融沉导致衬砌渠道冻胀破坏的问题,衬砌渠道的冻胀破坏会导致渠道水分渗漏,不仅浪费水资源,降低水的有效利用率,而且缩短了渠道使用寿命,制约工程效益的发挥。因此,研究冻土的冻胀机理,并因地制宜地提出防冻、抗冻胀措施是解决实际工程问题的关键。本文依据冻土物理学、弹性力学和有限元方法等,对冻土水热力三场耦合基本理论和混凝土衬砌渠道的冻胀破坏机理进行了总结,并围绕梯形衬砌渠道的冻胀破坏问题从三方面进行了研究:(一)建立冻胀模型。根据冻土物理学和土壤水动力学相关原理建立考虑原位水相变和迁移水热效应的土体冻胀模型;(二)数值模拟分析。采用COMSOL有限元软件中的弹性薄层单元对双层薄膜衬砌渠道进行数值模拟,分析其温度场、位移场、应力场分布规律,并探讨其滑塌原理;(三)室内试验研究。在实验室内进行梯形衬砌渠道冻胀模型试验,监测渠基冻土的温度、位移、水分分布和变化规律及双膜衬砌渠道的防冻胀效果。具体内容如下:(1)冻土中水分迁移及相变产生的巨大潜热对温度场影响显著,由此,本文建立了考虑原位水相变及迁移水热效应的土体冻胀模型。模型将冻土视为低温膨胀性材料,将相变潜热作为材料的等效热容加入热传导方程中;根据质量守恒原理和达西定律建立冻结锋面处水分迁移表达式并以迁移水相变潜热作为热传导方程热源项;采用COMSOL对土柱的温度场和冻胀进行求解,与不考虑相变和水分迁移的模型比较得出:相变作用对土柱温度场影响较大,考虑相变后,由于迁移水相变作用释放巨大潜热形成移动内热源,使温度场推进缓慢;通过与Konrad一维冻结试验结果的对比,验证了本模型的合理性,为进一步冻土冻胀研究提供参考。(2)结合COMSOL有限元分析软件对刘旭东提出的双层薄膜防渗衬砌渠道抗冻胀机理进行了进一步的研究和完善,将本文提出的考虑相变及水分迁移的土体冻胀模型应用于双层薄膜衬砌渠道中,将双层薄膜结构设置为弹性薄层单元,并采用与温度相关的冻土非线性本构。对比考虑和不考虑相变时的渠道模拟结果,可得考虑相变及水分迁移对温度的影响后,渠基冻深减小且更接近原型渠道实际冻深,验证了本文冻胀模型的合理性。对比普通衬砌渠道和双膜防渗衬砌渠道的位移场及应力场,结果表明:双膜防渗衬砌渠道由于削弱了冻结约束,释放了冻结力,导致衬砌板法向位移较普通衬砌渠道整体增大,但其分布更加均匀且双膜渠道能有效降低法向冻胀力和切向冻结力,改善衬砌板受力状态。(3)针对混凝土衬砌渠道冻胀破坏的问题,进行了室内模型试验,观测了渠基温度场、水分场分布,并设计了普通衬砌渠道与双膜渠道对比试验。对试验观测数据进行分析,得到降温开始后,随着温度的降低,冻深逐渐推进,且渠基土体冻结后,靠近渠顶和渠坡的部分温度梯度较大,靠近渠基底部的温度梯度较小;由于水分迁移的作用,大量迁移水冻结会释放巨大潜热,阻碍冻结锋面的快速推进,从而降低土体的降温速率;对比双膜和普通衬砌渠道衬砌板法向位移分布,得出二者法向位移分布规律相似,但双膜衬砌板的渠坡冻胀量变化较小;对比二者相对切向位移,可得双膜渠道坡板发生的相对位移最大比例可达13.4%,而普通衬砌渠道坡板几乎没有切向位移;从水分场分布图可以看出,随着冻结锋面的推移,渠基底部的未冻水含量逐渐减小,渠基下部的水分不断向冻结锋面迁移且不管在渠坡还是渠底,只要在未冻土区任意水平高度,水分的横向迁移补给优先于竖向迁移补给。本文的模型试验为进一步水工建筑物的冻胀试验研究奠定了基础。