砼衬砌渠道冻胀破坏力学模型及应用
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摘要
我国幅员辽阔，但水资源缺乏。因此，节约用水，走可持续化的发展道路是我国农
业的发展方向，做好渠道防渗工程是实现节水型农业的基本措施。
在我国，冻土地区和季节性冻土地区占国土面积的 3/5，渠道破坏主要表现为衬砌
体的冻胀破坏，本文在阅读和分析大量文献资料的基础上，论述了我国渠道防渗事业的
发展历史和现状；从衬砌的断面形式和结构形式等方面介绍了目前渠道防渗工程的几种
主要衬砌形式的各自特点，分析了曲线形渠道衬砌形式如 U 形渠道、弧底梯形渠道、弧
脚梯形渠道较目前常见的梯形渠道的优越性，并提出一种新型的断面形式——准梯形断
面形式供大家探讨；分析了复合衬砌形式较单一衬砌形式的优越性；分析了各种形式衬
砌的冻胀机理和破坏形式，总结了防治渠道冻胀破坏的基本措施，并对以前涉及很少的
衬砌结构的内力计算问题进行了初步探讨，以期建立具有实用价值的力学模型，服务于
生产和科研。
寒冷地区渠道衬砌冻胀破坏非常普遍，研究简单准确便于工程设计的力学模型极为
必要，为此通过对梯形渠道砼衬砌冻胀破坏机理的分析，通过恰当的基本假设：①指出
了梯形砼衬砌渠道的整体结构为在法向冻结力、切向冻结力、法向冻胀力共同作用下的
薄壳拱形结构，整体结构属压弯组合变形。②提出了梯形砼衬砌渠道整体结构冻胀破坏
的力学模型，通过对模型的求解给出了该薄壳拱形结构控制内力计算及最大剪应力计算
公式，并结合砼板抗裂条件给出了冻胀力、胀裂部位、冻胀抗裂衬砌板厚度及抗冻破坏
验算的一系列计算方法。③指出了衬砌板上各种冻结力、冻胀力的大小及方向是相互依
存直接相关的，最大冻结力是土质、负温及水份状况的综合指标，只要根据经验或实验
确定了最大冻结力、力学模型就可求解。工程实例计算表明本模型是安全合理、简单实
用的。
Our country has a vast territory, but lack water resources. While, saving water resources
and sustainable development will be the only direction of our agriculture. Building channel
seepage controlling engineering is one of the basic methods to realize the aim.
There are more than 3/5 of our territories are belong to forest area, frost heaving damage
is the main destroying forms of the channel in the region. Based on the observation and
analysis of large number of literature references, the history and the development of channel
seepage controlling techniques are discussed in the paper. Give a presentation of the
properties of channel lining from the cross section and the structure of the channel; analyzed
the advantage of the curve type channel (such as U type section, trapezoid section with arc
bottom and trapezoid section with arc foot) than trapezoid section channel by diagram and
data, put forward a new type section channel, para-trapezoid section; analyzed the damage
mechanism and forms of different lining form, summarized the basic methods of controlling
frost heaving damaged, probed into the internal force calculation problem of lining structure
that discussed merely at before, expect to build a sort of mechanics model to serve the
engineering.
By thorough analysis of the damage mechanism of frost heaving on the concrete lining of
the channel with trapezoidal cross section, this article presents the following conclusions:
First, it points out that the calculating diagram of the lining plates of canal bottom and slopes
are two–ends-simply-supported beam. Both of them are combined deformation members
under the loads of bending and compressing. Second, it gives the mechanics models of frost
heaving damage of the concrete lining plates of the canal with trapezoidal cross section. And
presents the calculating formula of the control internal forces and maximal tensile stresses of
the canal slope lining plates and the canal bottom lining plates. Furthermore, by considering
the conditions of crack resistance of the concrete plates, it presents a series of calculating
methods of frost heaving forces，position of expansion cracks，proper depth of the lining
plates to prevent frost heaving and cracks occurrence , and checking calculation for
prevention of frost heaving. Finally, it also elucidates that the intensity and direction of the
frost heaving forces，adfreezing forces and interactionally restricting forces, except for the
gravity, are all interdependent , and they all can be expressed as the function of the adfreezing
forces. Moreover the adfreezing forces is a comprehensive reflection of soil quality, negative
temperature and the status of moisture, thereby the mechanics models can be solved provided
that adfreezing forces is determined according to the practical experience or experiment.
Subjecting the models to the field engineering calculating test shows its safety, rationality,
simpleness and practicability.
业的发展方向，做好渠道防渗工程是实现节水型农业的基本措施。
在我国，冻土地区和季节性冻土地区占国土面积的 3/5，渠道破坏主要表现为衬砌
体的冻胀破坏，本文在阅读和分析大量文献资料的基础上，论述了我国渠道防渗事业的
发展历史和现状；从衬砌的断面形式和结构形式等方面介绍了目前渠道防渗工程的几种
主要衬砌形式的各自特点，分析了曲线形渠道衬砌形式如 U 形渠道、弧底梯形渠道、弧
脚梯形渠道较目前常见的梯形渠道的优越性，并提出一种新型的断面形式——准梯形断
面形式供大家探讨；分析了复合衬砌形式较单一衬砌形式的优越性；分析了各种形式衬
砌的冻胀机理和破坏形式，总结了防治渠道冻胀破坏的基本措施，并对以前涉及很少的
衬砌结构的内力计算问题进行了初步探讨，以期建立具有实用价值的力学模型，服务于
生产和科研。
寒冷地区渠道衬砌冻胀破坏非常普遍，研究简单准确便于工程设计的力学模型极为
必要，为此通过对梯形渠道砼衬砌冻胀破坏机理的分析，通过恰当的基本假设：①指出
了梯形砼衬砌渠道的整体结构为在法向冻结力、切向冻结力、法向冻胀力共同作用下的
薄壳拱形结构，整体结构属压弯组合变形。②提出了梯形砼衬砌渠道整体结构冻胀破坏
的力学模型，通过对模型的求解给出了该薄壳拱形结构控制内力计算及最大剪应力计算
公式，并结合砼板抗裂条件给出了冻胀力、胀裂部位、冻胀抗裂衬砌板厚度及抗冻破坏
验算的一系列计算方法。③指出了衬砌板上各种冻结力、冻胀力的大小及方向是相互依
存直接相关的，最大冻结力是土质、负温及水份状况的综合指标，只要根据经验或实验
确定了最大冻结力、力学模型就可求解。工程实例计算表明本模型是安全合理、简单实
用的。
Our country has a vast territory, but lack water resources. While, saving water resources
and sustainable development will be the only direction of our agriculture. Building channel
seepage controlling engineering is one of the basic methods to realize the aim.
There are more than 3/5 of our territories are belong to forest area, frost heaving damage
is the main destroying forms of the channel in the region. Based on the observation and
analysis of large number of literature references, the history and the development of channel
seepage controlling techniques are discussed in the paper. Give a presentation of the
properties of channel lining from the cross section and the structure of the channel; analyzed
the advantage of the curve type channel (such as U type section, trapezoid section with arc
bottom and trapezoid section with arc foot) than trapezoid section channel by diagram and
data, put forward a new type section channel, para-trapezoid section; analyzed the damage
mechanism and forms of different lining form, summarized the basic methods of controlling
frost heaving damaged, probed into the internal force calculation problem of lining structure
that discussed merely at before, expect to build a sort of mechanics model to serve the
engineering.
By thorough analysis of the damage mechanism of frost heaving on the concrete lining of
the channel with trapezoidal cross section, this article presents the following conclusions:
First, it points out that the calculating diagram of the lining plates of canal bottom and slopes
are two–ends-simply-supported beam. Both of them are combined deformation members
under the loads of bending and compressing. Second, it gives the mechanics models of frost
heaving damage of the concrete lining plates of the canal with trapezoidal cross section. And
presents the calculating formula of the control internal forces and maximal tensile stresses of
the canal slope lining plates and the canal bottom lining plates. Furthermore, by considering
the conditions of crack resistance of the concrete plates, it presents a series of calculating
methods of frost heaving forces，position of expansion cracks，proper depth of the lining
plates to prevent frost heaving and cracks occurrence , and checking calculation for
prevention of frost heaving. Finally, it also elucidates that the intensity and direction of the
frost heaving forces，adfreezing forces and interactionally restricting forces, except for the
gravity, are all interdependent , and they all can be expressed as the function of the adfreezing
forces. Moreover the adfreezing forces is a comprehensive reflection of soil quality, negative
temperature and the status of moisture, thereby the mechanics models can be solved provided
that adfreezing forces is determined according to the practical experience or experiment.
Subjecting the models to the field engineering calculating test shows its safety, rationality,
simpleness and practicability.
引文
1 陈志恺.持续干旱与华北水危机.中国水利，2002.4
2 唐兴信主编.农业节水技术.北京:水利电力出版社,1992.3.
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4 李龙昌等.管道输水工程技术.北京:中国水利水电出版社,1998.3.
5 秦为耀等编.节水灌溉技术.北京:中国水利水电出版社,2000.1.
6 节水灌溉技术规范(SL207-98) 北京:水利电力出版社
7 李远华主编.节水灌溉理论与技术. 武汉:武汉水利电力大学出版社,1999.1.
8 中国水资源公报.中华人民共和国水利部,1999
9 冯国斌,阮本青.黄河流域节水灌溉的探讨.中国水利,1999,431（5）.
10 水利电力部东北勘测设计院科学研究所等.水工建筑物冻害及防治.辽宁：吉林科学技术出版社，
1996.
11 李远华.节水灌溉理论与技术[M].武汉:水利电力大学出版社.
12 崔托维奇.H.A.，冻土力学.张长庆,朱元林译.北京:科学出版社. 1985.
13 谢定义.世纪土力学的思考.岩土工程学报，1997.21，Vol.19，No.4：111~115
14 朱强,谢荫琦.我国寒区水利工程冻胀防治研究现状及展望[A].第五届全国冰川冻土学大会论文集.
兰州:甘肃文化出版社,1991.8.
15 中国科学院兰州冰川冻土研究所.冻土的温度水分应力及其相互作用[M].兰州：兰州大学出版
社,1989.
16 渠系工程抗冻胀设计规范.北京:中国水利水电出版社,1991.
17 辽宁省水利科学研究所.渠道防渗工程冻胀破坏设计方法简则. 渠道防渗技术特辑4，1986. 6-10.
18 季仁保,周福国.渠道防渗技术新进展[J].中国农村水利水电,2003(4).：1-2.
19 吴紫汪,马巍.冻土强度与蠕变.兰州:兰州大学出版社. 1994.
20 徐绍新.季节冻土区水工建筑物抗冻害技术研究的成就与展望.第五届全国冰川冻土学大会论文集
（上）兰州：甘肃文化出版社，1996.291~298.
21 李安国.渠道设计冻深的确定. 第五届全国冰川冻土学大会论文集（上）兰州：甘肃文化出版社，
325~332.
22 Cary,J.W.1987.A new method for calculating frost heave incluseing suolute effects.Water
Resources res.23:1620~1624.
23 Osterkamp,T.E.1987.Freezing and thawing of the soils and permafrost containing un frozen
water or brine. Water Resources res.23:2279~2285.
24 苗天德,郭力,牛永红,张长庆等.正冻土中水热迁移问题的混合物理论模型.中国科学,D 辑.
1999.29 (s):8~14.
25 徐学祖,邓友生.冻土中水分迁移的实验研究.北京:科学出版社, 1991.23.
26 侯宝英.西北地区节水农业发展的关键技术.中国水利，2002.4
27 马祖融.河套灌区节水改造效益显著.中国水利，2002.9
28 李斌成，李鹏云.河南省大型灌区节水续建配套效益显著.中国水利，2002.4
29 韩苏建，陈涛，关中灌区渠道衬砌结构形式研究，防渗技术， 2002，10
30 王正中，正交各向异性冻土与建筑物相互作用的非线性有限元分析，土木工程学报， 1999.3
31 李安国，大U 形混凝土渠道的冻结、冻胀及冻胀力，第三届全国冻土会议论文集，科学出版社，
混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型及应用49
1989
32 陈涛，李永红，安西南干渠盐渍土地基的冻胀试验研究，防渗技术， 2000，2
33 渠道防渗工程技术，水利部农村水利司，中国灌溉排水技术开发培训中心，中国水利水电出版社，
1998
34 余书超等.刚性衬砌渠道受冻胀时衬砌层受力的试验研究.中国农村水利水电，2001，9
35 渠道冻胀模拟试验及衬砌结构受力分析，李安国等，防渗技术， 2000，3
36 陈涛，周俊荣，孙明星.HEC 固化剂对土壤渗透性能的影响.干旱地区农业研究.2004.4
37 水利部西北水利科学研究所，甘肃省疏勒河流域开发安西总干渠改线段和南干渠砂碎石盐渍土工
程性质试验研究，1997.4.8
38 钱家欢，土力学，河海大学出版社，1998.4，
39 水泥土材料试验方法.水利电力部科学技术司，1987.
40 土工试验规程SL237-1999.中华人民共和国水利部，1999.
41 梁文泉，何真.土壤固化剂的性能及固化机理的研究.武汉水利电力大学学报，1995(12)，
42 候瑜京，朱箐，邓艳.土壤固化技术在堤防加固工程中的应用.中国水利水电科学研究院学报，
1996(6)，Vol.3(2).
43 杨美玲.混凝土U 形防渗渠的改进与管理.防渗技术，1993.1
44 任之中.美国的渠道防渗技术.防渗信息，1991.3
45 D.B.克拉茨著，何丕承译.灌溉渠道衬砌. 北京：水利出版社，1980.2
46 杨立业.土工织物及其复合材料的应用与研究进展综述.西北水资源与水工程，1991.4
47 李安国，陈清华.渠道工程设计冻深计算方法的探讨.西北水资源与水工程，1992.1
48 铃木辉之等著，杨立业译.小型U 形渠槽冻胀破坏的现场试验.防渗技术，1993.3
49 安维东.冻土温度、水分及应力及其相互作用.兰州：兰州大学出版社，1990
50 黄文熙主编.土的工程性质.北京：水利电力出版社，1983
51 徐学祖.冻土分类现状及建议.冰川冻土，1994.16（3）：193-201
52 吴紫汪.冻土工程分类.冰川冻土，1982.4（1）：43-48
53 徐学祖等.土冻胀和盐胀机理.北京：科学出版社，1999
54 李述训，程国栋.冻融土中的水热输送问题.兰州：兰州大学出版社，1995
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1994
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秦出版社，1994
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水利科学研究所.1989.12
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应用研究.混凝土，2000.3
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19 吴紫汪,马巍.冻土强度与蠕变.兰州:兰州大学出版社. 1994.
20 徐绍新.季节冻土区水工建筑物抗冻害技术研究的成就与展望.第五届全国冰川冻土学大会论文集
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21 李安国.渠道设计冻深的确定. 第五届全国冰川冻土学大会论文集（上）兰州：甘肃文化出版社，
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22 Cary,J.W.1987.A new method for calculating frost heave incluseing suolute effects.Water
Resources res.23:1620~1624.
23 Osterkamp,T.E.1987.Freezing and thawing of the soils and permafrost containing un frozen
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24 苗天德,郭力,牛永红,张长庆等.正冻土中水热迁移问题的混合物理论模型.中国科学,D 辑.
1999.29 (s):8~14.
25 徐学祖,邓友生.冻土中水分迁移的实验研究.北京:科学出版社, 1991.23.
26 侯宝英.西北地区节水农业发展的关键技术.中国水利，2002.4
27 马祖融.河套灌区节水改造效益显著.中国水利，2002.9
28 李斌成，李鹏云.河南省大型灌区节水续建配套效益显著.中国水利，2002.4
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混凝土衬砌渠道冻胀破坏力学模型及应用49
1989
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1998
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35 渠道冻胀模拟试验及衬砌结构受力分析，李安国等，防渗技术， 2000，3
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38 钱家欢，土力学，河海大学出版社，1998.4，
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