随着我国经济与人口的快速发展,可用水资源匮乏现象越发严重。在农业灌溉用水方面,用水量巨大,约占农业总用水量的90%左右。为了提高输水效率,在减少渠系输水损失方面,目前采用混凝土衬砌与防渗土工膜相结合的方式作为输水渠道防渗措施。大量的研究表明,这种防渗措施在衬砌渠道正常运行过程中,可使输水损失减少70%左右。但是,我国大部分灌区地处季节性冻土区,渠基土体在多年反复冻融情况下,渠道衬砌冻害现象严重。一旦渠道衬砌发生冻害现象,势必导致渠道衬砌防渗能力的减弱,造成大量的输水损失。同样,寒区渠系工程中,渠道衬砌冻害现象将增加工程维修费用,大幅降低了灌区工程的经济效益。对于寒区渠系工程中的混凝土衬砌渠道常见的冻害现象,关注国内外冻土理论研究前沿与寒区渠道防冻胀实际工程,以大量渠道衬砌抗冻胀与冻土理论研究相关文献为基础,分析目前研究现状中存在的普遍问题,并结合冻土物理学、冻土三场耦合理论、有限元法等理论,采用理论分析、数值模拟与模型试验相结合的方法开展研究。首先,针对现有冻土水热力三场耦合模型在工程应用中涉及参数多,求解过程复杂等问题。本文依据冻土毛细理论与经典三场耦合模型,以饱和渠基土为研究对象,忽略冻土区复杂的迁移驱动力形式,只关注最为显著的热驱动力并基于热力学平衡的Clapeyron方程对该驱动力进行了推导,关注迁移水相变造成的局部热变化,忽略难以确定的成冰准则和分凝冰形成的方向性,认为水分迁移量与分凝冰形成量相等,并且造成的土体膨胀在各方向一致。基于以上简化,提出了考虑对冻胀影响最显著的水分迁移和分凝冰效应,同时不失工程实用性的简化饱和冻土冻胀三场耦合模型。第二,通过衬砌渠道冻胀模型试验,研究设置纵向伸缩缝的“适应型”衬砌渠道的温度场、水分场、应力场(位移场)的变化规律,分析选择合理的设置纵向伸缩缝的“适应型”渠道衬砌结构形式。应用本文建立的考虑饱和渠基土分凝冰效应的冻胀模型,对衬砌渠道冻胀模型试验选择出的渠道衬砌结构形式进行模拟计算,将模拟结果与模型试验结果进行对比,再次验证计算模型的正确性。并且,结合优选原则(冻胀量分布、纵向伸缩缝冻胀破坏准则)进一步分析渠坡处纵向伸缩缝不同位置与不同宽度对渠道衬砌“适应”渠基土体不均匀冻胀的能力,优选合理的设缝方式。本文主要研究成果如下:(1)本文结合渠基土体冻胀机理,分析了渠基土体内,水分迁移与迁移水冻结成冰所带来的分凝冰效应对于饱和渠基土体冻胀的影响,建立了考虑分凝冰效应的饱和渠基土体冻胀基本模型。采用COMSOL软件分析得出:土壤水中的迁移水冻结产生的体积膨胀(分凝冰效应)对渠基土体冻胀影响最大,相比于饱和渠基土体内原位水冻结,迁移水冻结体积膨胀(分凝冰效应)引起的渠道衬砌法向冻胀量约占总冻胀量的78.3%。计算模型相比于饱和渠基土体“冷胀热缩”冻胀材料模型,在计算模型时,不用通过试验监测提前获取渠基土体冻胀率与冻深。这样便于计算,并且在一定程度上满足了渠基冻土水、热、力三场动态耦合关系。计算结果与衬砌渠道原型观测规律相符,体现了本文建立的考虑分凝冰效应的饱和土体冻胀模型,在寒区衬砌渠道冻胀计算中,方法简单、应用便捷、结果正确。(2)根据设置纵向伸缩缝的“适应型”衬砌渠道冻胀试验,通过对渠基土体温度场、水分场与渠道衬砌位移场的分析表明:对于现浇整体型渠道衬砌,设置纵向伸缩缝后法向冻胀量整体分布均匀,渠坡处法向冻胀量相比于未设置纵向伸缩缝的渠道衬砌有所增加,渠底处法向冻胀量小于未设缝的渠道衬砌,该部位的法向冻胀量最大消减值约为34.4%。在同种设缝形式下,预制块衬砌渠道法向冻胀量相比于整体现浇衬砌渠道有所增大,其冻胀量最大增加值分别约为0.41cm和0.43cm。(3)根据对不同渠道衬砌结构设置纵向伸缩缝的冻胀模型试验,选择了适应渠基土体不均匀变位效果较好的整体现浇型渠道衬砌结构作为建模对象,应用本文建立的考虑分凝冰效应的饱和渠基土体冻胀模型,分析渠坡处不同位置与不同纵缝宽度的渠道衬砌法向冻胀量分布情况,与模型试验相互验证。并且,通过纵向伸缩缝冻胀破坏准则进一步评价优选合理的设缝方式。结果表明:位于渠坡1/3处纵向伸缩缝宽度为1.0cm的渠道衬砌法向冻胀量分布均匀,相比于未设置纵向伸缩缝的渠道衬砌,渠坡处法向冻胀量增加值约为9%,渠底板法向冻胀量消减了24%,并且纵向伸缩缝未发生冻胀破坏。