在寒冷地区的渠道防冻胀工程中，采用创新材料和施工方法是渠道抗冻胀工程的重要研究方向。文章重点对寒冷地区渠道防冻胀泡沫轻质混凝土的应用进行了讨论。根据现场测试结果，得出以下结论：泡沫轻质混凝土隔热功效、强度及价格优势均较好，25～30 cm厚度的泡沫轻质混凝土保温层能够起到同6 cm厚度的聚苯乙烯保温板一样的防冻胀作用，能够在高寒地区渠道防冻胀设计建设中使用。
我国北方寒区河湖与灌排渠道护岸冻胀破坏普遍严重。卵砾石护底模袋混凝土衬砌护岸因施工方便获得广泛应用。但目前针对这种复合衬砌结构的冻胀破坏机理尚不明确，难于规范化设计。本文基于冻土水热力三场耦合理论，考虑衬砌与基土的界面相互作用建立了河渠护岸衬砌冻胀数值分析模型。以宁夏西干渠工程为例，对卵砾石护底的模袋混凝土、卵砾石护底的普通混凝土以及全断面混凝土三种典型衬砌形式的弧脚梯形渠道进行冻胀破坏分析和对比研究。结果表明，卵砾石护底的排水作用可使边坡基土冻前体积含水率和冻后体积含冰率分别减少约27.8%和30%；模袋及卵砾石护底削减了冻结约束和底板约束，使坡板拉应力减少20%～70%，冻胀量削减约30%，不均匀冻胀量减少约50%；模袋混凝土护岸冻胀破坏表现出混凝土开裂、模袋达到比例极限、模袋达到极限强度的三个阶段，在混凝土开裂后模袋仍具备较强的承拉能力使护岸衬砌仍能承受冻胀发展并防止滑塌失稳破坏，当以模袋拉应力达到比例极限为失效准则时，抗冻胀能力提高约47.1%，负温抵抗能力提高约30%。此项研究可为我国北方寒区浅埋地下水河渠护岸采用卵砾石护底模袋混凝土衬砌提供设计手段与合理依据。
为建立围岩不同尺度下缺陷冻胀起裂的破坏判据,根据弹性力学和断裂力学并结合冻胀力值得到宏细观缺陷发生冻胀破坏判据,建立含宏细观缺陷的寒区隧道围岩冻胀破坏临界温度的计算模型。依托大坂山隧道算例,分析不同参数对细观孔隙和宏观节理冻胀破坏临界温度的影响规律。结果表明:细观孔隙冻胀破坏临界温度随主干孔轴线直径增大而显著增大;而次孔轴线等效直径增大对临界温度的影响则较小,其主要作用是与主干孔形成主干-旁枝型孔隙结构。宏观节理冻胀破坏临界温度随节理长度和隧道断面半径增大而增大;随节理倾角增大先减小后增大,在倾角为40°时出现峰值临界温度。
为研究寒区隧道多孔围岩在低温冻胀作用下的破坏判据，基于冻岩力学、断裂力学和细观损伤力学求解围岩冻胀力值和应力强度因子，将岩石应力腐蚀极限代替断裂韧度作为起裂判据；在单次冻胀作用下，对易发生冻胀破坏的“主干-旁枝型”孔隙结构建立围岩冻胀破坏判据；在持续冻胀作用下，将其视为冻融循环作用，考虑循环过程中岩石碎屑流失的影响效应并建立围岩冻胀破坏判据。依托西藏某寒区隧道验证失稳判据的可靠性并分析不同参数对围岩应力强度因子的影响作用。结果表明：围岩应力强度因子与主干孔轴线直径和水压力呈正比关系，前者初期增长速率显著大于后期，后者则几乎呈线性变换；与围岩环境温度和韧度比呈反比关系，且温度对围岩失稳的影响效果更明显。
从寒冷地区渠道冻胀破坏的原因及地下水对渠道冻胀的影响,总结出渠道冻胀破坏的各种特征,最后提出了渠道防渗工程在地下水位高时冻胀破坏的防治措施。并根据实际工程阿克苏东城区水系工程渠道衬砌结构进行分析,为后续设计人员在遇到寒冷地区景观水系渠道并且地下水位较高时,提供如何考虑寒冷地区景观水系渠道防渗及排水型式、消减冻胀破坏、延长工程使用寿命、提高工程投资效益的思路。
季节性冻土区渠道混凝土衬砌冻胀破坏一直是困扰灌区健康发展的难题。导致渠道混凝土衬砌冻胀破坏的主要外界因素有衬砌表面温度、渠基土地下水与渠基土质等。大量实验证明,在太阳辐射的作用下渠道混凝土衬砌与渠基土体之间产生一定的温度差,从而形成一定的温度梯度,使得渠基土水分不断向衬砌底部迁移,产生较大的法向冻胀力,造成衬砌鼓起与脱落。文章在考虑太阳辐射因素对渠基土体温度场影响的基础上,将其回归成正弦函数T代入热力学方程中,并通过MATLAB编程计算出太阳辐射因素下渠道不同位置各个时刻t的深度z随温度T的变化规律,为以后季节性冻土区渠基土体温度场计算提供了一种简单可行的方法。
南水北调中线应急供水工程渠道季节性冻土冻胀灾害,在河北省境内分布普遍且问题突出。其中第S1～S12标段渠道地基岩性主要为壤土、砂壤土、粉细砂,均须考虑冻胀问题。渠道设计时针对不同的地基岩性虽然采取了不同的防治冻胀的措施,但仍有部分渠道衬砌出现了不同程度的冻胀破坏。通过对工程中的季节性冻土发生冻胀破坏的部位进行统计、分析和研究,阐明了不同冻胀破坏发生的原因和机理,从预防和优化防冻设计角度提出了防冻胀的方法和地基处理措施。
渠道衬砌冻胀及损伤问题是季节性冻土区普遍存在的现象,这些问题被认为是热量输送和水分流动过程之间相互作用造成的。本文提出了一种新型的衬砌结构,并在大石桥市某灌区研究了新型及传统衬砌结构对渠道冻胀的影响,并采用组合热量传输和水分流动的二维耦合模型分析了新型和传统渠道衬砌结构的温度变化特征及新型衬砌防冻胀效果,两种渠道衬砌结构不同深度处的温度数值模拟结果与现场实测结果基本一致。现场观测结果表明:新型渠道衬砌结构具有渗漏低、导热系数低、排水速度快、不均匀变形低等特点。因此,在季节性冻土区这种新的渠道衬砌结构可以很好地防止冻胀破坏的发生。
寒区输水渠道冻胀破坏直接影响着工程安全及效益发挥,基土冻胀变形及其与结构相互作用共同导致衬砌冻胀破坏发生。采用低温室循环供冷,模型槽底部砂砾石层补水,设计衬砌渠道低温冻胀模型试验,研究渠基土体的温度场、水分场、变形场和衬砌位移之间动态耦合规律,对比观测了冻融试验前后渠基土横剖面物理性状的变化。研究表明:引起基土冻胀变形的水分迁移量及结冰量受温度梯度、冻结速率控制,也受土体初始含水率的制约;渠道断面形状影响渠道的温度边界和热传导,使各部位冻结速率及冻胀变形不一致。渠基土冻结过程中兼有冻胀和挤密,土体受挤压程度同样受渠道衬砌及断面形状的影响,土体内应力复杂。渠基土冻胀与衬砌位移不协调,导致渠底衬砌与土体脱空且偏心受拉。土体冻结时与衬砌间形成接触分凝冰层,传递作用力;温升融化时,接触分凝冰层消融,表层土体强度丧失,造成渠坡滑动失稳破坏和衬砌结构大面积的滑塌。
