旱寒区输水渠道防渗抗冻胀研究进展与前沿

王正中，江浩源，王 羿，刘铨鸿，葛建锐

（1.西北农林科技大学旱区寒区水工程安全研究中心，杨凌 712100；2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100；3.西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室，兰州 730000）

0 引 言

长距离调水工程和灌区建设是缓解中国北方旱区水资源紧缺、发展灌溉农业的主要手段[1-4]，渠道输水因造价低、输水效率高、施工简单、易于管理等优点，已成为其主要输水方式[4]。截至2017年底，中国灌区的灌溉面积达到7 395万hm2，居世界首位，万亩以上灌区数量达7 839处，干支渠道总长度超过80万km[5]；调水工程里程亦居世界首位，输水干渠长度超过1.38万km，年调水总量逾900亿m3[6]。南水北调东、中、西线组成的“三纵四横、南北调配、东西互济”大水网形成了中国合理调配水资源的大动脉。在此基础上延伸出的各类斗、农、毛渠及配水管网构成了水资源配送的“毛细血管”，对中国经济社会的持续发展奠定了坚实的水资源基础。

但是，中国北方旱区大多分布于季节性冻土区（以下称旱寒区），其低温达-10～-40 ℃，高频短周期突变温差达10～50 ℃，且广泛存在膨胀土、分散性土、湿陷性黄土、溶陷性土等特殊土[7]。该区修建的输水渠道在渗漏与冻融耦合作用下形成的渗-冻互馈恶性循环破坏机制，导致工程冻胀破坏普遍且严重，常出现鼓胀、隆起、翘起、架空、失稳滑塌等破坏形式。据统计，黑龙江省某大型灌区支渠以上渠系的83%以上的工程数[8]、吉林省某大型灌区的39.4%工程数[9]、新疆的北疆渠道半数以上的干支渠、青海万亩以上灌区的 50%～60%[10]以及内蒙古、宁夏、陕西、甘肃、山东等地均存在严重的冻害问题。因冻害导致渗漏产生的水损失约占总引水量的30%～60%，渠系水利用系数平均不到 0.5，加之灌区未衬砌渠道约占总渠道长度的70%～80%以上，使得每年损失水量占农业总用水量的近50%[1,11]。因此，对水资源极缺并依靠调水维持生产和生活的旱寒区而言，渠道的渗漏和冻害问题已成为旱寒区灌区健康发展和调水工程安全高效运行的瓶颈之一。

寒区渠道的渗漏和冻胀破坏是基土水-热-力耦合冻胀及其与衬砌板不协调变形作用的结果，受太阳辐射、空气热对流、降水、蒸发等外界环境及基土性质、含水率、地下水位、断面形式和衬砌结构等共同影响。早期吕鸿兴等[12-13]指出了中国寒区修建的衬砌渠道存在严重的冻胀渗漏问题，初步探讨了冻害发生原因及防治措施。在渠道冻胀破坏机理研究方面，Taber[14]初步探讨了冻土的水-热-力耦合冻胀机理，李安国等[15-16]结合现场监测和室内渠道模型试验得到了基土冻胀和衬砌板变形等基础数据，阐述了渠道冻胀破坏机理，为深入研究渠道冻胀破坏的定量模型和防控措施选择奠定了基础；在渠道冻胀破坏工程力学模型方面，王希尧[13]初步给出了衬砌板受到的冻胀力和冻结力分布，王正中[17]基于极限平衡法建立了衬砌结构的计算简图及内力计算方法，给出了衬砌结构冻胀力和冻结力的依存关系，为寒区渠道定量设计提供简明方法；在渠道冻胀数值模拟方面，Harlan[18]提出的水动力学模型为冻土冻胀多场耦合模拟提供参考，安维东等[19]提出的水-热-力耦合和王正中等[20]提出的热力耦合渠道冻胀模型，为寒区渠道设计提供了指导；在防渗抗冻胀措施方面，提出了保温板、渠基土换填、土工膜防渗、基土排水及设缝和断面优化或厚板结构等适应或抵抗变形的衬砌结构[21]，初步形成了旱寒区渠道防渗抗冻胀理论与技术体系。

日本、俄罗斯、欧美等国对冻土冻胀机理及其数值模型有着深入研究，寒区输水渠道防渗抗冻胀主要采用钢筋混凝土矩形渠槽+换填土的复合形式或混凝土厚板等以抵抗为主的措施，加之在寒区调水工程中多采用隧洞或在多年平均冻深以下布置涵管或压力管道的方式，渠道或其他建筑物冻胀破坏轻，但整体造价高，输水能耗大[21-22]；同时这些国家水资源相对充沛，调水工程较为发达。而中国旱寒区地域广大且水资源极缺，调水及灌区建设需求很大，仍需优先选择经济可行、建管方便的渠道工程。

目前，中国旱寒区大型灌区和调水工程得到快速发展，输水渠道规模逐渐由中小型向大型过渡，原有渠道渗漏、冻胀破坏、老化失修严重，加之气温骤变、暴雨洪水、盐碱化等极端条件频发，对渠道防渗抗冻胀理论技术提出了更高的要求。本文系统分析了基于室内外试验探究的渠道冻融破坏机理、工程力学模型、数值模型和防渗抗冻胀技术等方面的进展、前沿难点问题及整体理论技术的发展趋势，旨在为旱寒区渠道防渗抗冻胀设计理论提升和预警模型构建从理论走向实际、从工程经验走向科学体系奠定基础。

1 渠道冻融破坏机理研究进展

旱寒区干湿冻融交变环境下渠基冻土与衬砌相互作用复杂，基土与衬砌材料性能随光热、水分、土性及结构形式演变剧烈。开展室内与现场试验研究是明晰渠道冻融破坏机理的重要手段。

1.1 土体冻融变形机理的单元试验

单向冻结试验始于100多年前，用于模拟半无限基础的单向冻结过程。Taber等[14,23]通过该试验观察到了分凝冰的存在，探明了水分迁移和聚集成冰是土体冻胀的主要原因，指出了土质、含水率和冻结速率是影响土体冻胀的主要因素，由此冻土研究由简单的水冰相变问题逐渐提升到包含了热量传递、水分迁移、冰水相变、土体和结构约束变形的水、热、力三场耦合冻胀问题。其中针对冻土内水分迁移规律和分凝冰形成机理两大难题展开了系统研究。

20世纪80年代前主要为冻土冻胀理论的建立阶段，Everett[24]基于毛细理论，以冰水界面处弯液面形成的压力差作为水分迁移的主要驱动力，结合冰水界面热力学平衡方程，建立了毛细管理论，即第一冻胀理论。后续试验证明了此公式对单分散颗粒组成的土样的适用性，但会过低估计级配土的冻胀性，其迁移水量过大，且无法解释分凝冰的形成机制[25]。针对此问题，Miller[26]认为在冻结锋面与冰透镜体暖端间存在低含水率、低导湿率和无冻胀的冻结缘，在Harlan水热耦合方程[18]基础上，提出了冻结缘内有效应力表达式[27]，对冰透镜体的萌发及位置进行了量化，建立了冻结缘理论，即第二冻胀理论。因这一时期试验设备差，制约了冻胀理论的进一步发展。

20世纪80年代后，单向冻结试验向细观化、清晰化、实时化发展，CT扫描成像[28]、核磁共振[29]、电镜扫描[30]等微观测试技术得到快速发展，试样冷生结构发展、颗粒变形过程和未冻水含量、水分迁移可进行实时无损检测，同时可观察到冰透镜体的形成、冰水界面和结构特征；基于热容量测量的基质势传感器pF meter[31]，可实时测量土体未冻、正冻、冻结过程中基质势的实时变化规律；基于非饱和土的渗透系数试验[32]，建立了与土体温度或与含冰量有关的渗透系数模型。基于上述试验，可进一步理解冻土中的水分迁移及分凝冰的形成规律。

针对冻土应力变形特性，多采用单轴、三轴压缩试验，分析温度、围压、加载速率、冻融循环次数和土质等因素对冻土强度和应力-应变曲线的影响，提出了横观各向同性、非线性弹性、弹塑性、黏弹塑性等冻土本构[33-37]及横观各向同性冻胀本构[34]。当前试验研究集中于宏观力学的描述，有必要进一步将细微观机理与冻土宏观研究成果相结合来阐述冻土的破坏过程，形成较为统一的冻土本构理论体系。

1.2 渠道冻融破坏机理的现场监测

对于由衬砌、垫层、基土、水分等多种介质组成，且具有水流、光热和力学时空变化特征的输水渠道系统而言，开展真实环境下渠道系统水、热、力各参数的现场原型监测是探索其冻胀破坏机理的重要手段。在李安国[15]总结的气温、降水量、地温、水分及冻胀量和冻胀力的现场观测技术和观测数据基础之上，众多学者[8,38-41]相继分析了外界环境作用下渠道基土内温度场、水分场和衬砌板变形场等变量的发展变化过程，对比了采用保温板、复合衬砌和防渗毯等措施下的上述变量变化过程，并对其效果进行评价。

然而，现场环境恶劣，监测费用巨大，并且数据稀少。特别是衬砌结构与断面、地下水、土质、气象、水文地质等空间变异性大，传感器易损坏，监测数据的准确性和稳定性难以保证。因此，应加强高新技术应用和典型地区现代化原型观测站的建设。

1.3 渠道冻融破坏机理的室内模型试验

相比于原型监测，低温实验室可精确控制复杂的外界环境，模拟渠道系统的冻融破坏过程，通过单、多因素分析比较研究冻胀破坏机理和防冻胀措施的效果等[42-45]。结合上述现场监测结果，综合做出如图1所示的渠道冻融破坏机理图，即渠水渗漏与基土冻胀的渗-冻互馈机制。其中，渠道冻融破坏是由基土水-热-力耦合冻胀及其与衬砌相互作用所致，基土的冻胀受温度梯度、冻结速率、初始含水和地下水的共同制约。干冻期，渠道基土内的水分在毛细作用和温度梯度作用下迁移集聚于冻结深度范围内并分凝成冰，使基土产生冻胀，最大变形常发生在 1/4～1/3渠坡位置和渠底中心处；同时基土与衬砌间通过冻结的冰层来传递冻结力和冻胀力，二者不协调变形作用下可能产生衬砌与土体的脱空和衬砌的偏心受拉，导致冻胀破坏，产生裂缝；融湿期，基土内的冰层融化产生融沉，基土强度降低，基土与衬砌间冰层融化，可能导致基土与衬砌脱离滑塌或整体滑坡现象。同时渠道内行水位下的水分沿着衬砌板裂缝渗漏到基土内，增加了基土的含水率，这会导致在干冻期的基土冻胀现象加剧，渠道冻胀破坏严重，进一步引发融湿期渠道的渗漏加剧，二者恶行循环往复，这是渠道冻融破坏的机理。

图1 寒区输水渠道渗-冻互馈机制示意图Fig.1 Schematic diagram of mutual feedback mechanisms on seepage-frost heave of canals in cold regions

基于渠道冻胀破坏机理的防冻胀措施效果验证方面，Li等[43-45]分别研究了土工袋换填、铰接式浅隙排水膜袋、保温板等措施，为寒区渠道防冻胀设计提供指导。然而，室内模型试验相似律不够完备，无法反映出渠道冻胀过程中水、热、力等因素的尺寸效应和时间效应。另一方面，学者结合土工离心模型试验设备与低温模拟系统开发了低温离心模型试验系统[46-47]，进行了渠道冻融过程的离心试验，效果较好[48]，但仍存在传统对流降温方式慢、分凝冰演化过程及水分迁移的相似理论和传感器的尺寸效应等问题。

需要强调的是，旱寒区渠道渠水渗漏蒸发强烈，伴随产生严重的土壤盐碱化，目前已对含盐冻土的强度变形特性、水盐迁移规律进行了大量研究[49-50]，但渠道盐冻胀破坏机理研究较少；同时渠坡的冻融滑塌和冬季输水渠道破坏机理亦不清晰，有待研究。

2 渠道冻胀破坏工程力学模型研究进展

基于室内、外试验揭示的渠道冻胀破坏机理及规律，以衬砌结构为研究对象，建立不同类型衬砌渠道的冻胀破坏力学模型，对渠道冻胀变形规律、破坏位置和程度进行分析判断，可有效指导工程设计。

2.1 材料力学模型

王正中[17]根据渠道冻胀变形分布规律，将衬砌板简化为承受法向冻胀力、法向及切向冻结力、衬砌间相互约束的两端简支梁。其中法向冻胀力和切向冻结力沿衬砌线性分布，法向冻胀力在坡顶为 0，坡底最大(q0)，底板两端与临近坡脚相等；底板上抬产生的顶推力(N)与坡板产生切向冻结力平衡，坡顶为 0，坡脚最大(f0)，底板忽略切向冻结力，各力间维持静力平衡极限状态，见图2。

图2 梯形渠道衬砌板受力图[17]Fig.2 Force diagram on lining plate of trapezoidal canal[17]

针对水力和抗冻胀性能优良的弧底梯形渠道（见图3），根据其冻胀变形特征和分布规律，建立了通用的曲线形渠道冻胀力学模型[51]。

图3 弧底梯形渠道衬砌板受力图[51]Fig.3 Force diagram on lining plate of trapezoidal canal with arc-bottom[51]

上述模型的建立主要基于工程力学理论，依据极限平衡法建立衬砌结构的整体受力平衡方程，建立了法向冻胀力与法向、切向冻结力及约束反力之间的依存关系，进一步计算出衬砌板上任一点的弯矩、轴力及剪力值。依据最大拉应变准则建立衬砌板的拉裂破坏判据，提出了渠道抗冻胀设计与强度复核的定量方法[17]。基于对上述力学模型的完善，申向东等[52]建立了预制混凝土衬砌梯形渠道的力学模型；孙杲辰等[53]基于断裂力学推导了衬砌渠道冻胀破坏的断裂力学模型；宋玲等[54]引入桩的抗冻拔验算方法，建立了冬季无冰盖输水渠道的力学模型。上述力学模型不仅使寒区渠道有了量化的设计方法，而且揭示了宽浅式渠道抗冻胀的机理和解除冻结约束可减小法向冻胀力和冻胀破坏的机理，为后续研究奠定了理论基础。

2.2 弹性力学模型

材料力学模型提供了简明实用的工程设计方法，但不能反映出衬砌与冻土相互作用动态变形协调的本质。针对此，肖旻等[55]假设渠基冻土为Winkler弹性地基，建立了法向冻胀力与地下水埋深、冻胀强度的关系式，考虑了大型渠道法向和切向冻胀强度差异及衬砌板的冻缩应力[56]，分析了有、无冰盖作用的衬砌渠道应力变形规律[55-57]。随后，视冻土为预压缩的Winkler弹簧地基，其自由冻胀被衬砌约束而产生的冻胀力与冻结力、衬砌板与冻土地基的变形协调及渠基土与衬砌受力平衡，可得到考虑二者相互作用的冻胀力和冻胀变形分布，从而引入冻胀位移这一稳定性评价指标，建立了渠道冻胀破坏的弹性地基梁模型[58]。然而该模型仍采用简支梁支撑，弱化了冻土与衬砌板的相互作用。为此，李宗利等[59]将切向冻结力也视为平行于衬砌板的弹簧，结合规范中基土的自由冻胀量，采用短梁理论构建了弹性地基梁模型。但切向冻结力对弹性地基梁计算的影响及其与法向冻胀力的关系、冻土与衬砌间的地基系数以及边界约束条件的选取仍有待于进一步研究。

3 渠道冻胀多场耦合数值模型研究进展

渠道冻胀破坏是基土与衬砌结构在水-热-力多场耦合下相互作用的结果，相比工程力学模型，数值模型机理清晰，可计算复杂环境下全寿命周期内的渠道冻胀力学动态响应。

3.1 冻土冻胀的多场耦合数值模型

20世纪70年代，Harlan[18]首次提出水热耦合的水动力学模型，将土水势融入达西定律的驱动项，将水-冰相变潜热融入土体等效热容，可预测水分分布及冻结锋面的推进过程。随后Taylor等[60]根据未冻水含量与土水势间单值函数来确定水分迁移的驱动力，以土体内含冰量临界值作为土体冻胀的条件，使水热耦合模型具有了实际应用价值。20世纪80年代，Konrad提出的分凝势模型[61]和O'Neill等提出的刚性冰模型[62]影响较大。前者将水分迁移率视为冻结锋面附近的分凝势与其温度梯度之积，依赖试验测定，属于半经验性模型；后者假设冻结缘中的冰与正生长的冰透镜体紧密连在一起，以水分迁移速度作为土体冻胀速度，但参数较多影响了实际应用。Shen等[63]将水动力学模型与力学模型相结合，视冻胀为体积应变，提出了考虑蠕变的水-热-力耦合模型，模拟效果较好。20世纪90年代，基于质量、动量、能量平衡定律提出了热力学模型[64]，但仅能描述冻胀定性机理，实际应用局限性较大；同时期王正中等[20]基于有限元法视冻土与结构于一体，提出了冻土与结构相互作用的“冷胀热缩”热力耦合模型，物理力学概念明确、软件通用、结果合理且计算成本低；随后众多学者广泛开展了渠道冻胀的水-热-力耦合模型研究。

3.1.1 “冷胀热缩”热力耦合模型

因渠基土体冻结缓慢，假设为稳态热传导问题；暂不考虑水分迁移这一复杂过程，将水、热、力耦合作用下的冻土简化为具有正交各向异性冻胀特征的冷胀热缩材料，各向冻胀系数依靠冻胀变形、冻深和温度监测值来确定。基于此模型，分析了温度、土质、断面形式、地下水位等因素对渠道冻胀的影响[21]，探究了太阳辐射[65]和昼夜温差[66]等作用下渠道的冻胀破坏机理，计算了保温板[67]、阻排水[21]、换填土[68]及自适应结构[69-71]等措施的削减冻胀效果，该模型在水-热-力耦合模型不成熟且计算机性能有限的条件下发挥了重要作用，对渠道冻胀规律的掌握起到了重要作用，也为寒区渠道冻胀设计起到指导作用。

3.1.2 水-热-力耦合冻胀模型

水-热-力耦合冻胀模型可考虑水分迁移和冰水相变等特征，科学解释冻土的冻胀变形特性，减少对现场监测的依赖，并预测水热环境变化下的冻土冻胀发展过程，广泛应用于煤炭开采、桩基、路基和渠道等工程的设计校核中[72-74]，本节重点对渠道工程的水-热-力耦合模型的发展进行综述。

Li等[8-10,19,75]利用自编程序对渠道冻胀进行了三场耦合分析，但因自编程序及前、后处理复杂，受众不广，难以在工程上推广使用。Liu等[76]采用COMSOL多物理场耦合软件建立了水-热-力耦合模型；基于此王文杰[77]在COMSOL中构建了渠道冻胀的三场耦合模型；但因模型收敛较慢，刘月等[78]采用相变区间及光滑函数分析冰水相变潜热，采用达西定律和Clapeyron方程描述饱和基土内的水分迁移，收敛性提高，但该模型依赖冻胀量的监测结果。为克服此弊端，王正中等[79-81]根据原位水和迁移水的结冰量，以总含水率大于基土孔隙率时开始冻胀[63]，修正了沿温度梯度方向的主冻胀；王羿等[82]依据设计规范[83]中不同种类土体的冻胀率与冻深值和地下水位的关系，修正了冻胀量计算公式。上述 2种冻胀量修正方法可依据水热耦合结果中的含冰量、冻深或地下水位来计算渠道冻胀量，摆脱了对现场监测值的依赖性。但上述模型主要针对饱和土，且假定迁移水完全冻结，为此，Liu等[34]采用Richards方程，考虑层状分凝冰的冷生构造对应力变形的影响，推导出了冰透镜体-土层理想结合条件下的冻土横观各向同性弹塑性力学本构，进一步建立了非饱和土的横观各向同性冻土冻胀模型，使模型的普适性和精确性得到全面提高，但上述模型并未考虑融沉，数值模型有待进一步发展。值得注意的是，灌区盐碱化日益严重，水-热-力-盐耦合盐冻胀模型得到快速发展[84-85]，有待进一步结合析晶成冰准则和盐冻胀互馈机制修正模型。

3.2 渠基冻土-衬砌相互作用模型

渠基土与衬砌间冰、水含量随温度变化，冻结力与冻胀力随之变化且规律复杂，是渠道衬砌冻胀破坏的本质原因。目前，冻土与混凝土界面间的接触力学特性主要通过室内低温直剪试验完成，冻土的初始含水率、冻结温度、法向压力、土质等因素对界面间相互作用力及其应力-应变关系和冻结强度具有重要影响[86-90]。应力-应变曲线呈现出应变软化现象，采用摩尔-库伦强度理论将界面间峰值强度分解为残余强度和冰胶结强度，其中残余强度由结构-基土间的黏聚力和摩擦力组成，冰胶结强度主要与界面形成的分凝冰层有关；冷季时分凝冰层形成并传递作用力，暖季时融化而造成渠坡失稳。

基于试验，陈良致等[91]建立了峰值强度前的龚帕兹三参数本构模型来反映弱S型趋势。董盛时等[92]建立了应力-位移-温度双曲线本构模型。李爽等[93]建立了衬砌-冻土相互作用的双曲线接触数值模型。Zhang等[94]采用侧阻软化模型描述胶结冰剪断后的应变软化过程，拟合精度提高。基于此，Liu等[95]采用COMSOL软件建立了考虑含水率、温度和法向压力的接触面模型。江浩源等[81]采用COMSOL软件中的弹性薄层单元来模拟渠道衬砌-冻土间接触行为，结合基土水-热-力耦合模型，可较好地反映出分凝冰层对界面力学特性的影响，至此已初步形成考虑基土冻胀和界面接触的渠道三场耦合冻胀模型。王羿等[82]进一步模拟了渠道衬砌-土工膜-冻土间相互作用，建立了复合衬砌渠道冻胀的接触模拟方法。

4 渠道防渗抗冻胀技术与措施研究进展

寒区渠道冻胀破坏是由“温-水-土-结构”相互作用所致，需从这 4个因素着手来回避、适应、削减或消除冻胀，保障渠道安全。目前已进行了较多渠道防渗抗冻胀措施的探索、论证、现场示范及工程应用，可总结为如图4所示4类技术来简述进展。

图4 渠道防渗抗冻胀措施示意图Fig.4 Diagram of measures on anti-seepage and anti-frost heave for canal

4.1 渠道“保蓄温”技术

低温冻结是渠道冻胀破坏的首要原因，“保蓄温”技术是渠道防冻胀的有效技术，具体是指在衬砌板下方铺设低导热系数保温板，对渠道基土进行蓄热保温，以避免基土冻结或减少冻深，削减冻胀。保温材料、厚度、铺设方式已得到较多研究[38-39,45,67]，在内蒙古河套灌区[38]、宁夏引黄灌区[39]进行了大规模试验和使用，防冻胀效果显著。目前，常用的保温材料有模塑聚苯乙烯苯板（Expanded PolyStyrene）、挤塑板（eXtruded PolyStyrene）等，具有质轻、耐压、保温等优良性能。采用保温板时允许渠道下存在部分冻深，但需保证冻胀量满足设计标准，其厚度选择至关重要。过薄易存在极低温环境下的保温失效问题，过厚则增加工程费用。值得注意的是，在水分补给充足的渠道中，保温板会降低土体冻结速率，使冻深发展缓慢但水分迁移总量增加，反而会加大冻胀变形，因此需根据环境温度及含水率情况，谨慎设计保温板厚度。同时亦可采用高热容相变保温板或相变胶囊土工膜[96]，利用其相变能调蓄热量，进一步提高保温效果。但各种保温材料的耐久性特别是在干湿冻融循环作用下的热力学和力学性能老化问题值得关注。

4.2 渠道防渗与排水技术

渠道渗-冻互馈破坏引发渗漏水损失严重，是产生冻胀的主要原因，可通过合理控制基土含水率，减少因水分集聚产生的冻胀破坏，以提高渠系水利用系数[97]。其中，防渗材料、排水措施的选择至关重要。

防渗材料的选择原则是就地取材，因地制宜。主要包括混凝土、沥青、砌石和复合土工膜等传统防渗材料，以及膜袋混凝土、膨润土防渗毯、土工织物复合材料、聚合物纤维混凝土等新型材料，同时还有以化学改良、纳米改性为手段对传统材料进行性能提升，如土壤固化剂和纳米改性材料等。实践表明混凝土与土工膜的复合衬砌防渗效果耐久可靠，是工程普遍采用的复合防渗抗冻胀措施，而新型再生混凝土、纤维涂层、环保防渗耐久等新材料开发前景广阔。

针对高地下水位、地表水补给多或排水不畅的渠道而言，可采用碎石集水层和纵横排水管网的方式，结合单向逆止阀系统，将基土内水分进行收集并排走，以减少衬砌渠道由于地下水不断地向冻结锋面迁移加剧冻胀破坏，防止快速退水时衬砌结构整体因扬压力过大而发生水胀破坏。

4.3 渠道“换填土”技术

“换填土”指将冻胀敏感性的细粒土置换为粗粒土等冻胀不敏感的材料，以切断毛管水上升和地下水分迁移补给，从而控制冻胀量[68]。换填材料的选择原则也是就地取材，常采用卵石、砂砾石或纤维砂袋等弱冻胀性土进行换填，其厚度需结合土壤的类别、冻深、地下水埋深等综合确定，该措施在甘肃景电工程、内蒙河套灌区、北疆供水等工程中广泛使用，防冻胀效果较好。但近些年在机场跑道、铁路路基发现粗粒土换填后亦存在冻胀破坏问题，一是因为细粒土的筛选不严格，二是因为地表冷板“锅盖效应”作用下使粗粒土中水气迁移凝霜而造成冻胀[98]。鉴于此，有待进一步采用粗细分层复合压实处理来切断水、气迁移聚集；或采用化学材料改性渠基土，使土中冰点降低或增强土的憎水性，以改进传统的换填土措施。

4.4 渠道“释放力”技术

“释放力”是指通过调整渠道断面形状或衬砌结构形式，协调基土与衬砌间变形及相互作用，增强衬砌适应基土冻胀变形的能力，以削减冻胀破坏。相较于梯形渠道而言，弧底梯形渠道、弧形坡脚梯形渠道、U形渠道因梯形脚弧形化而使冻胀力分布均匀化，适应变形能力增强而得到广泛应用；同时亦出现了一些新型衬砌形式，通过在冻胀较强的部位加厚衬砌来抵抗冻胀，如肋型平板、楔形板或中部加厚板[21]。为使渠道过水流量大且冻胀变形小，李甲林等[21,80]提出了“水力+抗冻胀”双优断面的设计方法，得到了相应环境下的最优断面形式。摒弃以“抗”为主而采用“抗适协调”的思路，王正中等[69-71,81-82]提出了双膜垫层及“适变断面”等自适应结构来协调衬砌与渠基冻胀变形，主要创新思路如图5所示。其中，双膜垫层即在衬砌板和渠基土间利用2层土工膜的相对滑动来减少冻结力约束，从而削减和调整衬砌板受到的冻胀力及其分布；“适变断面”是采用弧形脚替换梯形脚或采用合适的柔性缝来吸收衬砌板的挤压变形，适当释放冻胀变形而减少冻胀力。目前数值仿真确定出了适应冻胀变形的合理双膜布置方式和纵缝的位置、宽度、个数及其组合方案，防冻胀效果显著。这些精确控制双膜间摩擦力的“适摩”和合理设置纵缝的“适缝”技术的实践效果，有待进一步的现场试验验证。

图5 “自适应结构”防冻胀措施示意图Figure.5 Diagram of Anti-frost heave measures with adaptive structure

5 渠道防渗抗冻胀研究前沿和难点

随着中国旱寒区大型灌区、调水工程及各类灌区升级改造的发展，渠道工程建设逐渐向大型化、现代化、标准化发展。在强太阳辐射、极端寒冷与土地盐碱化等恶劣环境影响下，渠道面临的冬季输水、冰期输水、水位骤降及行水-停水-冻胀-融沉等运行工况更加复杂，其渗漏与冻融破坏形式多样，机理复杂，这都对渠道防渗抗冻胀理论和技术提出了更高要求和挑战。目前形成的旱寒区渠道防渗抗冻胀理论和技术体系仍需在工程实践中不断提升，最终建立1）旱寒区输水渠道科学设计及安全校核的设计理论、方法与规范；2）旱寒区渠道全生命周期风险科学预警模型和评价体系。

5.1 复杂环境工况下的渠道破坏机理

渠道运行环境和工况复杂，其在太阳辐射、春融、盐渍化等外界环境以及冬季输水、水位骤降等运行工况作用下发生复杂的多场耦合作用，其破坏机理尚未完全明晰，有待进一步发展。具体包括：

1）太阳辐射作用下渠道阴、阳坡发生水、热、力的不均匀、不对称、不同步变化，冻胀破坏存在差异，未来需结合室内外试验探索太阳辐射对渠基冻土水、热、力分布的影响规律，揭示高寒强辐射区太阳辐射对渠道冻胀破坏的影响规律和冻胀破坏机理。

2）春季渠道的融沉滑塌现象明显，但其破坏机制尚不清楚。未来有必要结合室内模型试验，动态监测春融期间的水、热、力变化规律，辅以电镜扫描、核磁共振等微观手段，明晰渠道的冻融劣化机理。

3）咸寒区渠道盐冻胀破坏突出，基土冻结条件下水盐迁移规律和盐冻胀耦合互馈关系尚不明晰，未来有必要结合试验分析冻土中水、热、盐的变化规律，探明析晶-成冰规律，突破盐胀-冻胀的耦合互馈关系，揭示渠道破坏的水-热-力-盐耦合机制。

4）冬季输水无冰盖运行工况，气候环境、渠水渗漏、水体温度综合影响基土的水、热、力耦合作用，虽水体具有一定的保温作用，但渠水渗漏会加大基土的含水率，加大低温区冻胀变形量，尤其在水面附近不均匀冻胀变形较大，产生破坏；而针对冰盖运行工况，除上述因素影响外，冰盖生消、冰盖的厚度、静冰压力的发展、水位变幅波动产生的冰盖与衬砌板相互作用，导致冰-冻胀耦合破坏。未来可结合模型试验手段，明晰冬季输水渠道的破坏机制。

5）渠道水位骤降时，渠坡反渗压力过大引起渠道产生水胀（扬压力）破坏，但具体作用机理不够清晰。未来需结合试验分析基土、衬砌板、土工膜渗透系数及渠道降水方式等对衬砌板底部扬压力的影响，以明晰渠道水位下降时的渠道水胀破坏机制。

5.2 渠道破坏的多场耦合数值模型

基于复杂环境工况下的渠道破坏机理，建立并完善描述渠基土冻融、渗漏、盐冻胀过程与衬砌结构应力变形响应的多物理场耦合模型，是提升旱寒区渠道设计理论的基础，仍存在以下难点问题需解决：

1）渠道热边界的准确性是决定渠道温度场计算合理性的先决条件，宜考虑不同走向渠道太阳辐射的周期变化及昼夜冻融循环影响，为此需进一步研究渠道太阳辐射模型，确定太阳辐射参数和下垫面的合理取值；同时研究风场作用下渠道断面形状、衬砌材料物理特性与表面吸热及风速分布的对流换热模型，建立准确的渠道热边界条件，以实现考虑阴、阳坡及断面形状影响的渠道温度场的准确计算。

2）冻融作用下渠基土的水-热-力动态耦合模型是渠道冻融破坏分析的核心部分，目前以水热全耦合与应力场单向耦合构成的多场耦合模型来分析渠基土的冻胀弹性变形较为成熟，而力学参数与水热参数间全耦合冻胀、融沉模型和冻融循环下的弹塑性损伤模型研究仍是难点。有必要通过单轴和三轴冻土加载试验，结合基质势、水分、温度等传感器，研究应力场参数与土水特征曲线、冻结曲线等水热参数的耦合关系；研究不同荷载下基土的温度、水分分布与融沉系数的关系，综合建立渠道的冻胀-融沉模型；研究冻融循环过程中基土传热系数、土水特征曲线、冻结曲线等水、热、力参数的变化规律，建立各参数的动态预测模型；建立冻土的冻融劣化本构数值模型，以建立完善的冻土水-热-力耦合冻融劣化数值模型，以分析渠基土的冻融劣化、剥蚀与滑塌过程。

3）在水-热-力耦合模型基础上，研究盐分对各场参数的影响规律，如冻结曲线、土水特征曲线、渗透系数、力学参数等，建立统一预测模型，结合咸寒区渠道盐冻胀破坏机制，建立相应的水-热-力-盐四场耦合数值仿真模型，为咸寒区工程设计和建筑物盐冻胀破坏防治提供理论指导。

4）寒区渠道衬砌板在冻土冻胀融沉作用下发生破坏，以往的衬砌-冻土相互作用研究中多限于单次冻结状态下研究含水率、温度、法向压力等因素对接触面力学特性的影响，仅建立了数学拟合关系，物理意义不明确且精度较差，导致数值计算的衬砌板应力变形大于试验监测值而失真。如何反映冻土与结构界面反复冻结融化循环过程中相互作用的物理本质，建立正确的接触模型及其参数是当前面临的难题。探究在长期反复多次冻融循环下衬砌-分凝冰-冻土的界面强度和应力应变特性，分析界面间冻胀力、冻结力的发展演化过程及接触面的性能退化演变规律；另一方面，理论上建立接触面黏塑性损伤模型，从损伤状态变量、损伤模型参数、蠕变参数与温度、含水率、冻融循环次数等变量的关联出发来建立接触面间力学本构模型，结合冻土耦合模型，实现界面间应力变形特性与冰、水含量的动态分析，最后建立旱寒区基土与衬砌相互作用的渠道冻融破坏模型，综合分析衬砌的冻胀、融沉、鼓胀、错动、脱空和滑塌等破坏。

5.3 失效准则与设计方法

失效准则是旱寒区渠道防渗抗冻胀量化设计的阈值指标，包括强度、刚度、稳定性等。目前规范仅采用不可恢复的法向最大冻胀量这单一失效准则，无法反映渠道冻融破坏的多种类型，且设计方法也仅是定性判断及工程类比，无法满足复杂环境下高标准、大规模渠道工程建设的需要。目前虽面向渠道衬砌结构抗冻胀设计提出了材料力学和弹性力学等工程力学模型，但仅采用了拉应力或最大变形等单一失效准则，多种破坏类型的系统失效准则以及模型中假设衬砌受到的冻胀力和冻结力分布规律有待修正。因此，未来仍需结合大型工程原型试验和水-热-力耦合数值模拟手段，以气候气象、渠道走向、温度、基土含水率、地下水位、土质、断面及结构形式、渠道规模等为基本变量，探究渠道的冻融破坏形式及其所对应的工程力学模型，并结合模型求解量，推导获得反映结构破坏临界状态的强度、刚度和稳定性等指标量的不等式关系，提出系统性的渠道冻融破坏失效准则。在此基础上，结合诸如“防渗抗冻胀与适应冻胀协调”、“水力+抗冻胀”双优化等设计理念，对渠道断面尺寸和衬砌尺寸、接缝等参数进行量化设计，并可结合数值模型对上述渠道进行验算，形成工程力学模型设计、数值模型校核的旱寒区渠道结构防冻融破坏的设计方法及标准，指导实际工程设计。

5.4 防渗抗冻胀措施定量化设计

设计规范中多以控制临界冻深和冻胀量的原则选取渠道的防渗抗冻胀措施，但条例较模糊，无明确的定量化指标可供参考。如高地下水位区或渗漏区的纵横排水管和排水井的联合布置形式、保温板的厚度、换填层的粒径要求和换填深度、梯形脚弧形化的结构尺寸等无定量化设计标准，以及“适摩”、“适缝”措施的工程效果等均未知。未来有必要结合室内模型试验和大量现场实测分析排水管和抽排水井的布置方式、尺寸和抽排效率对渠基土渗流场和地下水位的影响规律；探究考虑太阳辐射影响的保温板厚度对冻土水、热、变形等综合指标量的影响规律；分析换填层的土料级配、不同压实度下的冻胀量变化规律及换填深度对渠道冻胀变形的影响机理；研究不同梯形脚转化的弧度和结构尺寸下的衬砌板应力变形分布，最终辅以数值模拟手段，确定出不同区域、气温、土质、地下水位和基土含水率、渠道走向等影响下的防冻胀措施选取依据及定量化设计方案，并结合现场监测修正上述措施，编制标准化规范化的数字化设计软件，最终形成不同因素影响下的防渗抗冻胀技术体系。

5.5 全生命周期渠道工程安全灾害链动态预警模型

输水渠道常年经历着行水、停水、冻结、融化等多种工况的周期往复作用，老化损伤长期累积，时间效应强，超出一定阈值后产生的衬砌鼓胀、裂缝、错动、渠坡滑塌等破坏形式并非单一存在，而是相互关联、同源转化，短期静态的安全评价不能满足全生命周期安全高效运行的需求。未来需在大量监测试验数据、数值模拟结果形成的数据库之上，基于灾害链理论，将导致渠道破坏的环境因素、运行工况、渠基土质、渠道结构形式及灾害形式等变量进行定性分类，并采用神经网络等多种算法建立各变量间关系，以建立灾害链动态预警模型。该模型需要更加全面、准确的现场监测手段以获得渠道内部信息的实时动态变化。目前，传统渠道监测手段以常规温度、水分、位移传感器及水准仪等静态观测为主，能全面反映渠基土内冻胀力、渗漏量、地下水、热流量及外部辐射、风、蒸发量等动态灾害因子变化的监测手段将成为寒区渠道灾害链分析的重要信息源，继而可通过监测数据并结合渠道水-热-力耦合冻胀模型分析灾害链的驱动过程，以有针对性地采取防控措施及时预警、及时修复，为保障工程全生命周期的安全与健康运行提供理论与技术支撑。

6 结 语

中国有关旱寒区输水渠道冻胀破坏机理试验、工程力学模型、数值模型及防渗抗冻胀技术等研究已取得长足发展，从早期的小比尺粗糙试验逐渐过渡到大型低温实验室内精确测量的大比尺试验，以及加装降温系统的冻土模型离心装置，使模型试验具有了较好的时空效应；由早期凭经验进行渠道的防冻设计，逐渐过渡到依据简明的工程力学设计方法，提升了渠道防冻胀设计理论；从早期的水-热耦合或热-力耦合模型发展到考虑冰水相变、水分迁移及横观各向同性冻胀特征的水-热-力耦合冻胀模型，更加符合冻土冻胀本质。同时，渠道防渗抗冻胀研究仍然面临着诸多理论与技术难题有待解决，如特殊土地区的冻胀、盐胀、冰盖下输水渠道的冰胀、应急快速退水导致的水胀等问题。随着中国西部旱寒区灌区建设和调水工程的大规模发展，建立复杂环境下不同规模旱寒区渠道环境荷载响应分析、安全设计、灾害防治和全寿命周期安全预警与评价的一整套具有中国特色的渠道安全理论体系是必然趋势。