我国北方尤其是高寒地区,由于负温的作用,渠道基土冻胀,混凝土衬砌工程冻胀破坏现象经常发生,直接影响到农田灌溉渠道的正常运用。所以,需要解决混凝土衬砌渠道冻胀破坏严重问题。本文结合弹性力学、冻土物理学等相关知识,主要针对宁夏引黄灌区小U形渠道混凝土衬砌结构进行抗冻胀模拟分析,研究工作与研究成果如下:(1)分析了整体式、两拼式和三拼式小U形混凝土衬砌渠道的冻胀破坏特征。其中在抗冻胀性能方面,整体式U形结构最好,两拼式U形结构次之,三拼式U形结构最差;在整体性能方面,整体式U形结构最好,两拼式U形结构次之,三拼式U形结构最差;根据原型观测试验,表明三拼式小U形渠道的刚性接缝是受力薄弱位置。(2)以小U形混凝土衬砌渠道为研究对象,应用软件ABAQUS,建立了整体式小U形渠道混凝土衬砌结构冻胀数值模型,通过算例验证了数值模型的合理性。(3)考虑了渠基冻土与整体式小U形混凝土衬砌板之间的相互作用,建立了更符合实际的法向接触模型和切向接触模型。计算结果表明,与未考虑接触的模拟结果相对比,衬砌板的冻胀位移减小了 5%～15%,衬砌板的法向冻胀力减小了 30%～50%,衬砌板的切向冻结力减小了 40%～60%,冻胀位移沿渠道衬砌板的横断面分布较均匀,法向冻胀力沿渠道衬砌板的横断面分布较均匀,切向冻结力沿渠道衬砌板的横断面分布较均匀;模拟结果与实测结果基本吻合。(4)探讨了不同倾角的小U形渠道混凝土衬砌结构抗冻胀效果,经分析20°倾角衬砌板的抗冻胀效果优于15°倾角衬砌板。其中15°倾角衬砌板最大冻胀位移是20°倾角衬砌板的1.5倍,20°倾角的冻胀位移沿渠道衬砌板横断面分布更加均匀;15°倾角衬砌板所受最大法向冻胀力是20°倾角衬砌板的1.3倍,20°倾角的法向冻胀力沿渠道衬砌板横断面分布更加均匀;15°倾角衬砌板所受最大切向冻结力是20°倾角衬砌板的1.1倍,20°倾角的切向冻结力沿渠道衬砌板横断面分布更加均匀。