旱寒區(qū)輸水渠道防滲抗凍脹研究進(jìn)展與前沿

王正中，江浩源，王 羿，劉銓鴻，葛建銳

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)寒區(qū)水工程安全研究中心，楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；3.西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引 言

長(zhǎng)距離調(diào)水工程和灌區(qū)建設(shè)是緩解中國(guó)北方旱區(qū)水資源緊缺、發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)的主要手段[1-4]，渠道輸水因造價(jià)低、輸水效率高、施工簡(jiǎn)單、易于管理等優(yōu)點(diǎn)，已成為其主要輸水方式[4]。截至2017年底，中國(guó)灌區(qū)的灌溉面積達(dá)到7 395萬hm2，居世界首位，萬畝以上灌區(qū)數(shù)量達(dá)7 839處，干支渠道總長(zhǎng)度超過80萬km[5]；調(diào)水工程里程亦居世界首位，輸水干渠長(zhǎng)度超過1.38萬km，年調(diào)水總量逾900億m3[6]。南水北調(diào)東、中、西線組成的“三縱四橫、南北調(diào)配、東西互濟(jì)”大水網(wǎng)形成了中國(guó)合理調(diào)配水資源的大動(dòng)脈。在此基礎(chǔ)上延伸出的各類斗、農(nóng)、毛渠及配水管網(wǎng)構(gòu)成了水資源配送的“毛細(xì)血管”，對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的水資源基礎(chǔ)。

但是，中國(guó)北方旱區(qū)大多分布于季節(jié)性凍土區(qū)（以下稱旱寒區(qū)），其低溫達(dá)-10～-40 ℃，高頻短周期突變溫差達(dá)10～50 ℃，且廣泛存在膨脹土、分散性土、濕陷性黃土、溶陷性土等特殊土[7]。該區(qū)修建的輸水渠道在滲漏與凍融耦合作用下形成的滲-凍互饋惡性循環(huán)破壞機(jī)制，導(dǎo)致工程凍脹破壞普遍且嚴(yán)重，常出現(xiàn)鼓脹、隆起、翹起、架空、失穩(wěn)滑塌等破壞形式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黑龍江省某大型灌區(qū)支渠以上渠系的83%以上的工程數(shù)[8]、吉林省某大型灌區(qū)的39.4%工程數(shù)[9]、新疆的北疆渠道半數(shù)以上的干支渠、青海萬畝以上灌區(qū)的 50%～60%[10]以及內(nèi)蒙古、寧夏、陜西、甘肅、山東等地均存在嚴(yán)重的凍害問題。因凍害導(dǎo)致滲漏產(chǎn)生的水損失約占總引水量的30%～60%，渠系水利用系數(shù)平均不到 0.5，加之灌區(qū)未襯砌渠道約占總渠道長(zhǎng)度的70%～80%以上，使得每年損失水量占農(nóng)業(yè)總用水量的近50%[1,11]。因此，對(duì)水資源極缺并依靠調(diào)水維持生產(chǎn)和生活的旱寒區(qū)而言，渠道的滲漏和凍害問題已成為旱寒區(qū)灌區(qū)健康發(fā)展和調(diào)水工程安全高效運(yùn)行的瓶頸之一。

寒區(qū)渠道的滲漏和凍脹破壞是基土水-熱-力耦合凍脹及其與襯砌板不協(xié)調(diào)變形作用的結(jié)果，受太陽(yáng)輻射、空氣熱對(duì)流、降水、蒸發(fā)等外界環(huán)境及基土性質(zhì)、含水率、地下水位、斷面形式和襯砌結(jié)構(gòu)等共同影響。早期呂鴻興等[12-13]指出了中國(guó)寒區(qū)修建的襯砌渠道存在嚴(yán)重的凍脹滲漏問題，初步探討了凍害發(fā)生原因及防治措施。在渠道凍脹破壞機(jī)理研究方面，Taber[14]初步探討了凍土的水-熱-力耦合凍脹機(jī)理，李安國(guó)等[15-16]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和室內(nèi)渠道模型試驗(yàn)得到了基土凍脹和襯砌板變形等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，闡述了渠道凍脹破壞機(jī)理，為深入研究渠道凍脹破壞的定量模型和防控措施選擇奠定了基礎(chǔ)；在渠道凍脹破壞工程力學(xué)模型方面，王希堯[13]初步給出了襯砌板受到的凍脹力和凍結(jié)力分布，王正中[17]基于極限平衡法建立了襯砌結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖及內(nèi)力計(jì)算方法，給出了襯砌結(jié)構(gòu)凍脹力和凍結(jié)力的依存關(guān)系，為寒區(qū)渠道定量設(shè)計(jì)提供簡(jiǎn)明方法；在渠道凍脹數(shù)值模擬方面，Harlan[18]提出的水動(dòng)力學(xué)模型為凍土凍脹多場(chǎng)耦合模擬提供參考，安維東等[19]提出的水-熱-力耦合和王正中等[20]提出的熱力耦合渠道凍脹模型，為寒區(qū)渠道設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)；在防滲抗凍脹措施方面，提出了保溫板、渠基土換填、土工膜防滲、基土排水及設(shè)縫和斷面優(yōu)化或厚板結(jié)構(gòu)等適應(yīng)或抵抗變形的襯砌結(jié)構(gòu)[21]，初步形成了旱寒區(qū)渠道防滲抗凍脹理論與技術(shù)體系。

日本、俄羅斯、歐美等國(guó)對(duì)凍土凍脹機(jī)理及其數(shù)值模型有著深入研究，寒區(qū)輸水渠道防滲抗凍脹主要采用鋼筋混凝土矩形渠槽+換填土的復(fù)合形式或混凝土厚板等以抵抗為主的措施，加之在寒區(qū)調(diào)水工程中多采用隧洞或在多年平均凍深以下布置涵管或壓力管道的方式，渠道或其他建筑物凍脹破壞輕，但整體造價(jià)高，輸水能耗大[21-22]；同時(shí)這些國(guó)家水資源相對(duì)充沛，調(diào)水工程較為發(fā)達(dá)。而中國(guó)旱寒區(qū)地域廣大且水資源極缺，調(diào)水及灌區(qū)建設(shè)需求很大，仍需優(yōu)先選擇經(jīng)濟(jì)可行、建管方便的渠道工程。

目前，中國(guó)旱寒區(qū)大型灌區(qū)和調(diào)水工程得到快速發(fā)展，輸水渠道規(guī)模逐漸由中小型向大型過渡，原有渠道滲漏、凍脹破壞、老化失修嚴(yán)重，加之氣溫驟變、暴雨洪水、鹽堿化等極端條件頻發(fā)，對(duì)渠道防滲抗凍脹理論技術(shù)提出了更高的要求。本文系統(tǒng)分析了基于室內(nèi)外試驗(yàn)探究的渠道凍融破壞機(jī)理、工程力學(xué)模型、數(shù)值模型和防滲抗凍脹技術(shù)等方面的進(jìn)展、前沿難點(diǎn)問題及整體理論技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，旨在為旱寒區(qū)渠道防滲抗凍脹設(shè)計(jì)理論提升和預(yù)警模型構(gòu)建從理論走向?qū)嶋H、從工程經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)體系奠定基礎(chǔ)。

1 渠道凍融破壞機(jī)理研究進(jìn)展

旱寒區(qū)干濕凍融交變環(huán)境下渠基凍土與襯砌相互作用復(fù)雜，基土與襯砌材料性能隨光熱、水分、土性及結(jié)構(gòu)形式演變劇烈。開展室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究是明晰渠道凍融破壞機(jī)理的重要手段。

1.1 土體凍融變形機(jī)理的單元試驗(yàn)

單向凍結(jié)試驗(yàn)始于100多年前，用于模擬半無限基礎(chǔ)的單向凍結(jié)過程。Taber等[14,23]通過該試驗(yàn)觀察到了分凝冰的存在，探明了水分遷移和聚集成冰是土體凍脹的主要原因，指出了土質(zhì)、含水率和凍結(jié)速率是影響土體凍脹的主要因素，由此凍土研究由簡(jiǎn)單的水冰相變問題逐漸提升到包含了熱量傳遞、水分遷移、冰水相變、土體和結(jié)構(gòu)約束變形的水、熱、力三場(chǎng)耦合凍脹問題。其中針對(duì)凍土內(nèi)水分遷移規(guī)律和分凝冰形成機(jī)理兩大難題展開了系統(tǒng)研究。

20世紀(jì)80年代前主要為凍土凍脹理論的建立階段，Everett[24]基于毛細(xì)理論，以冰水界面處彎液面形成的壓力差作為水分遷移的主要驅(qū)動(dòng)力，結(jié)合冰水界面熱力學(xué)平衡方程，建立了毛細(xì)管理論，即第一凍脹理論。后續(xù)試驗(yàn)證明了此公式對(duì)單分散顆粒組成的土樣的適用性，但會(huì)過低估計(jì)級(jí)配土的凍脹性，其遷移水量過大，且無法解釋分凝冰的形成機(jī)制[25]。針對(duì)此問題，Miller[26]認(rèn)為在凍結(jié)鋒面與冰透鏡體暖端間存在低含水率、低導(dǎo)濕率和無凍脹的凍結(jié)緣，在Harlan水熱耦合方程[18]基礎(chǔ)上，提出了凍結(jié)緣內(nèi)有效應(yīng)力表達(dá)式[27]，對(duì)冰透鏡體的萌發(fā)及位置進(jìn)行了量化，建立了凍結(jié)緣理論，即第二凍脹理論。因這一時(shí)期試驗(yàn)設(shè)備差，制約了凍脹理論的進(jìn)一步發(fā)展。

20世紀(jì)80年代后，單向凍結(jié)試驗(yàn)向細(xì)觀化、清晰化、實(shí)時(shí)化發(fā)展，CT掃描成像[28]、核磁共振[29]、電鏡掃描[30]等微觀測(cè)試技術(shù)得到快速發(fā)展，試樣冷生結(jié)構(gòu)發(fā)展、顆粒變形過程和未凍水含量、水分遷移可進(jìn)行實(shí)時(shí)無損檢測(cè)，同時(shí)可觀察到冰透鏡體的形成、冰水界面和結(jié)構(gòu)特征；基于熱容量測(cè)量的基質(zhì)勢(shì)傳感器pF meter[31]，可實(shí)時(shí)測(cè)量土體未凍、正凍、凍結(jié)過程中基質(zhì)勢(shì)的實(shí)時(shí)變化規(guī)律；基于非飽和土的滲透系數(shù)試驗(yàn)[32]，建立了與土體溫度或與含冰量有關(guān)的滲透系數(shù)模型?；谏鲜鲈囼?yàn)，可進(jìn)一步理解凍土中的水分遷移及分凝冰的形成規(guī)律。

針對(duì)凍土應(yīng)力變形特性，多采用單軸、三軸壓縮試驗(yàn)，分析溫度、圍壓、加載速率、凍融循環(huán)次數(shù)和土質(zhì)等因素對(duì)凍土強(qiáng)度和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響，提出了橫觀各向同性、非線性彈性、彈塑性、黏彈塑性等凍土本構(gòu)[33-37]及橫觀各向同性凍脹本構(gòu)[34]。當(dāng)前試驗(yàn)研究集中于宏觀力學(xué)的描述，有必要進(jìn)一步將細(xì)微觀機(jī)理與凍土宏觀研究成果相結(jié)合來闡述凍土的破壞過程，形成較為統(tǒng)一的凍土本構(gòu)理論體系。

1.2 渠道凍融破壞機(jī)理的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

對(duì)于由襯砌、墊層、基土、水分等多種介質(zhì)組成，且具有水流、光熱和力學(xué)時(shí)空變化特征的輸水渠道系統(tǒng)而言，開展真實(shí)環(huán)境下渠道系統(tǒng)水、熱、力各參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)原型監(jiān)測(cè)是探索其凍脹破壞機(jī)理的重要手段。在李安國(guó)[15]總結(jié)的氣溫、降水量、地溫、水分及凍脹量和凍脹力的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)和觀測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，眾多學(xué)者[8,38-41]相繼分析了外界環(huán)境作用下渠道基土內(nèi)溫度場(chǎng)、水分場(chǎng)和襯砌板變形場(chǎng)等變量的發(fā)展變化過程，對(duì)比了采用保溫板、復(fù)合襯砌和防滲毯等措施下的上述變量變化過程，并對(duì)其效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

然而，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，監(jiān)測(cè)費(fèi)用巨大，并且數(shù)據(jù)稀少。特別是襯砌結(jié)構(gòu)與斷面、地下水、土質(zhì)、氣象、水文地質(zhì)等空間變異性大，傳感器易損壞，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性難以保證。因此，應(yīng)加強(qiáng)高新技術(shù)應(yīng)用和典型地區(qū)現(xiàn)代化原型觀測(cè)站的建設(shè)。

1.3 渠道凍融破壞機(jī)理的室內(nèi)模型試驗(yàn)

相比于原型監(jiān)測(cè)，低溫實(shí)驗(yàn)室可精確控制復(fù)雜的外界環(huán)境，模擬渠道系統(tǒng)的凍融破壞過程，通過單、多因素分析比較研究?jī)雒浧茐臋C(jī)理和防凍脹措施的效果等[42-45]。結(jié)合上述現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，綜合做出如圖1所示的渠道凍融破壞機(jī)理圖，即渠水滲漏與基土凍脹的滲-凍互饋機(jī)制。其中，渠道凍融破壞是由基土水-熱-力耦合凍脹及其與襯砌相互作用所致，基土的凍脹受溫度梯度、凍結(jié)速率、初始含水和地下水的共同制約。干凍期，渠道基土內(nèi)的水分在毛細(xì)作用和溫度梯度作用下遷移集聚于凍結(jié)深度范圍內(nèi)并分凝成冰，使基土產(chǎn)生凍脹，最大變形常發(fā)生在 1/4～1/3渠坡位置和渠底中心處；同時(shí)基土與襯砌間通過凍結(jié)的冰層來傳遞凍結(jié)力和凍脹力，二者不協(xié)調(diào)變形作用下可能產(chǎn)生襯砌與土體的脫空和襯砌的偏心受拉，導(dǎo)致凍脹破壞，產(chǎn)生裂縫；融濕期，基土內(nèi)的冰層融化產(chǎn)生融沉，基土強(qiáng)度降低，基土與襯砌間冰層融化，可能導(dǎo)致基土與襯砌脫離滑塌或整體滑坡現(xiàn)象。同時(shí)渠道內(nèi)行水位下的水分沿著襯砌板裂縫滲漏到基土內(nèi)，增加了基土的含水率，這會(huì)導(dǎo)致在干凍期的基土凍脹現(xiàn)象加劇，渠道凍脹破壞嚴(yán)重，進(jìn)一步引發(fā)融濕期渠道的滲漏加劇，二者惡行循環(huán)往復(fù)，這是渠道凍融破壞的機(jī)理。

圖1 寒區(qū)輸水渠道滲-凍互饋機(jī)制示意圖Fig.1 Schematic diagram of mutual feedback mechanisms on seepage-frost heave of canals in cold regions

基于渠道凍脹破壞機(jī)理的防凍脹措施效果驗(yàn)證方面，Li等[43-45]分別研究了土工袋換填、鉸接式淺隙排水膜袋、保溫板等措施，為寒區(qū)渠道防凍脹設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。然而，室內(nèi)模型試驗(yàn)相似律不夠完備，無法反映出渠道凍脹過程中水、熱、力等因素的尺寸效應(yīng)和時(shí)間效應(yīng)。另一方面，學(xué)者結(jié)合土工離心模型試驗(yàn)設(shè)備與低溫模擬系統(tǒng)開發(fā)了低溫離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)[46-47]，進(jìn)行了渠道凍融過程的離心試驗(yàn)，效果較好[48]，但仍存在傳統(tǒng)對(duì)流降溫方式慢、分凝冰演化過程及水分遷移的相似理論和傳感器的尺寸效應(yīng)等問題。

需要強(qiáng)調(diào)的是，旱寒區(qū)渠道渠水滲漏蒸發(fā)強(qiáng)烈，伴隨產(chǎn)生嚴(yán)重的土壤鹽堿化，目前已對(duì)含鹽凍土的強(qiáng)度變形特性、水鹽遷移規(guī)律進(jìn)行了大量研究[49-50]，但渠道鹽凍脹破壞機(jī)理研究較少；同時(shí)渠坡的凍融滑塌和冬季輸水渠道破壞機(jī)理亦不清晰，有待研究。

2 渠道凍脹破壞工程力學(xué)模型研究進(jìn)展

基于室內(nèi)、外試驗(yàn)揭示的渠道凍脹破壞機(jī)理及規(guī)律，以襯砌結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，建立不同類型襯砌渠道的凍脹破壞力學(xué)模型，對(duì)渠道凍脹變形規(guī)律、破壞位置和程度進(jìn)行分析判斷，可有效指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

2.1 材料力學(xué)模型

王正中[17]根據(jù)渠道凍脹變形分布規(guī)律，將襯砌板簡(jiǎn)化為承受法向凍脹力、法向及切向凍結(jié)力、襯砌間相互約束的兩端簡(jiǎn)支梁。其中法向凍脹力和切向凍結(jié)力沿襯砌線性分布，法向凍脹力在坡頂為 0，坡底最大(q0)，底板兩端與臨近坡腳相等；底板上抬產(chǎn)生的頂推力(N)與坡板產(chǎn)生切向凍結(jié)力平衡，坡頂為 0，坡腳最大(f0)，底板忽略切向凍結(jié)力，各力間維持靜力平衡極限狀態(tài)，見圖2。

圖2 梯形渠道襯砌板受力圖[17]Fig.2 Force diagram on lining plate of trapezoidal canal[17]

針對(duì)水力和抗凍脹性能優(yōu)良的弧底梯形渠道（見圖3），根據(jù)其凍脹變形特征和分布規(guī)律，建立了通用的曲線形渠道凍脹力學(xué)模型[51]。

圖3 弧底梯形渠道襯砌板受力圖[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學(xué)理論，依據(jù)極限平衡法建立襯砌結(jié)構(gòu)的整體受力平衡方程，建立了法向凍脹力與法向、切向凍結(jié)力及約束反力之間的依存關(guān)系，進(jìn)一步計(jì)算出襯砌板上任一點(diǎn)的彎矩、軸力及剪力值。依據(jù)最大拉應(yīng)變準(zhǔn)則建立襯砌板的拉裂破壞判據(jù)，提出了渠道抗凍脹設(shè)計(jì)與強(qiáng)度復(fù)核的定量方法[17]?；趯?duì)上述力學(xué)模型的完善，申向東等[52]建立了預(yù)制混凝土襯砌梯形渠道的力學(xué)模型；孫杲辰等[53]基于斷裂力學(xué)推導(dǎo)了襯砌渠道凍脹破壞的斷裂力學(xué)模型；宋玲等[54]引入樁的抗凍拔驗(yàn)算方法，建立了冬季無冰蓋輸水渠道的力學(xué)模型。上述力學(xué)模型不僅使寒區(qū)渠道有了量化的設(shè)計(jì)方法，而且揭示了寬淺式渠道抗凍脹的機(jī)理和解除凍結(jié)約束可減小法向凍脹力和凍脹破壞的機(jī)理，為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

2.2 彈性力學(xué)模型

材料力學(xué)模型提供了簡(jiǎn)明實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法，但不能反映出襯砌與凍土相互作用動(dòng)態(tài)變形協(xié)調(diào)的本質(zhì)。針對(duì)此，肖旻等[55]假設(shè)渠基凍土為Winkler彈性地基，建立了法向凍脹力與地下水埋深、凍脹強(qiáng)度的關(guān)系式，考慮了大型渠道法向和切向凍脹強(qiáng)度差異及襯砌板的凍縮應(yīng)力[56]，分析了有、無冰蓋作用的襯砌渠道應(yīng)力變形規(guī)律[55-57]。隨后，視凍土為預(yù)壓縮的Winkler彈簧地基，其自由凍脹被襯砌約束而產(chǎn)生的凍脹力與凍結(jié)力、襯砌板與凍土地基的變形協(xié)調(diào)及渠基土與襯砌受力平衡，可得到考慮二者相互作用的凍脹力和凍脹變形分布，從而引入凍脹位移這一穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了渠道凍脹破壞的彈性地基梁模型[58]。然而該模型仍采用簡(jiǎn)支梁支撐，弱化了凍土與襯砌板的相互作用。為此，李宗利等[59]將切向凍結(jié)力也視為平行于襯砌板的彈簧，結(jié)合規(guī)范中基土的自由凍脹量，采用短梁理論構(gòu)建了彈性地基梁模型。但切向凍結(jié)力對(duì)彈性地基梁計(jì)算的影響及其與法向凍脹力的關(guān)系、凍土與襯砌間的地基系數(shù)以及邊界約束條件的選取仍有待于進(jìn)一步研究。

3 渠道凍脹多場(chǎng)耦合數(shù)值模型研究進(jìn)展

渠道凍脹破壞是基土與襯砌結(jié)構(gòu)在水-熱-力多場(chǎng)耦合下相互作用的結(jié)果，相比工程力學(xué)模型，數(shù)值模型機(jī)理清晰，可計(jì)算復(fù)雜環(huán)境下全壽命周期內(nèi)的渠道凍脹力學(xué)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3.1 凍土凍脹的多場(chǎng)耦合數(shù)值模型

20世紀(jì)70年代，Harlan[18]首次提出水熱耦合的水動(dòng)力學(xué)模型，將土水勢(shì)融入達(dá)西定律的驅(qū)動(dòng)項(xiàng)，將水-冰相變潛熱融入土體等效熱容，可預(yù)測(cè)水分分布及凍結(jié)鋒面的推進(jìn)過程。隨后Taylor等[60]根據(jù)未凍水含量與土水勢(shì)間單值函數(shù)來確定水分遷移的驅(qū)動(dòng)力，以土體內(nèi)含冰量臨界值作為土體凍脹的條件，使水熱耦合模型具有了實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。20世紀(jì)80年代，Konrad提出的分凝勢(shì)模型[61]和O'Neill等提出的剛性冰模型[62]影響較大。前者將水分遷移率視為凍結(jié)鋒面附近的分凝勢(shì)與其溫度梯度之積，依賴試驗(yàn)測(cè)定，屬于半經(jīng)驗(yàn)性模型；后者假設(shè)凍結(jié)緣中的冰與正生長(zhǎng)的冰透鏡體緊密連在一起，以水分遷移速度作為土體凍脹速度，但參數(shù)較多影響了實(shí)際應(yīng)用。Shen等[63]將水動(dòng)力學(xué)模型與力學(xué)模型相結(jié)合，視凍脹為體積應(yīng)變，提出了考慮蠕變的水-熱-力耦合模型，模擬效果較好。20世紀(jì)90年代，基于質(zhì)量、動(dòng)量、能量平衡定律提出了熱力學(xué)模型[64]，但僅能描述凍脹定性機(jī)理，實(shí)際應(yīng)用局限性較大；同時(shí)期王正中等[20]基于有限元法視凍土與結(jié)構(gòu)于一體，提出了凍土與結(jié)構(gòu)相互作用的“冷脹熱縮”熱力耦合模型，物理力學(xué)概念明確、軟件通用、結(jié)果合理且計(jì)算成本低；隨后眾多學(xué)者廣泛開展了渠道凍脹的水-熱-力耦合模型研究。

3.1.1 “冷脹熱縮”熱力耦合模型

因渠基土體凍結(jié)緩慢，假設(shè)為穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題；暫不考慮水分遷移這一復(fù)雜過程，將水、熱、力耦合作用下的凍土簡(jiǎn)化為具有正交各向異性凍脹特征的冷脹熱縮材料，各向凍脹系數(shù)依靠?jī)雒涀冃巍錾詈蜏囟缺O(jiān)測(cè)值來確定。基于此模型，分析了溫度、土質(zhì)、斷面形式、地下水位等因素對(duì)渠道凍脹的影響[21]，探究了太陽(yáng)輻射[65]和晝夜溫差[66]等作用下渠道的凍脹破壞機(jī)理，計(jì)算了保溫板[67]、阻排水[21]、換填土[68]及自適應(yīng)結(jié)構(gòu)[69-71]等措施的削減凍脹效果，該模型在水-熱-力耦合模型不成熟且計(jì)算機(jī)性能有限的條件下發(fā)揮了重要作用，對(duì)渠道凍脹規(guī)律的掌握起到了重要作用，也為寒區(qū)渠道凍脹設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

3.1.2 水-熱-力耦合凍脹模型

水-熱-力耦合凍脹模型可考慮水分遷移和冰水相變等特征，科學(xué)解釋凍土的凍脹變形特性，減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的依賴，并預(yù)測(cè)水熱環(huán)境變化下的凍土凍脹發(fā)展過程，廣泛應(yīng)用于煤炭開采、樁基、路基和渠道等工程的設(shè)計(jì)校核中[72-74]，本節(jié)重點(diǎn)對(duì)渠道工程的水-熱-力耦合模型的發(fā)展進(jìn)行綜述。

Li等[8-10,19,75]利用自編程序?qū)η纼雒涍M(jìn)行了三場(chǎng)耦合分析，但因自編程序及前、后處理復(fù)雜，受眾不廣，難以在工程上推廣使用。Liu等[76]采用COMSOL多物理場(chǎng)耦合軟件建立了水-熱-力耦合模型；基于此王文杰[77]在COMSOL中構(gòu)建了渠道凍脹的三場(chǎng)耦合模型；但因模型收斂較慢，劉月等[78]采用相變區(qū)間及光滑函數(shù)分析冰水相變潛熱，采用達(dá)西定律和Clapeyron方程描述飽和基土內(nèi)的水分遷移，收斂性提高，但該模型依賴凍脹量的監(jiān)測(cè)結(jié)果。為克服此弊端，王正中等[79-81]根據(jù)原位水和遷移水的結(jié)冰量，以總含水率大于基土孔隙率時(shí)開始凍脹[63]，修正了沿溫度梯度方向的主凍脹；王羿等[82]依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[83]中不同種類土體的凍脹率與凍深值和地下水位的關(guān)系，修正了凍脹量計(jì)算公式。上述 2種凍脹量修正方法可依據(jù)水熱耦合結(jié)果中的含冰量、凍深或地下水位來計(jì)算渠道凍脹量，擺脫了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值的依賴性。但上述模型主要針對(duì)飽和土，且假定遷移水完全凍結(jié)，為此，Liu等[34]采用Richards方程，考慮層狀分凝冰的冷生構(gòu)造對(duì)應(yīng)力變形的影響，推導(dǎo)出了冰透鏡體-土層理想結(jié)合條件下的凍土橫觀各向同性彈塑性力學(xué)本構(gòu)，進(jìn)一步建立了非飽和土的橫觀各向同性凍土凍脹模型，使模型的普適性和精確性得到全面提高，但上述模型并未考慮融沉，數(shù)值模型有待進(jìn)一步發(fā)展。值得注意的是，灌區(qū)鹽堿化日益嚴(yán)重，水-熱-力-鹽耦合鹽凍脹模型得到快速發(fā)展[84-85]，有待進(jìn)一步結(jié)合析晶成冰準(zhǔn)則和鹽凍脹互饋機(jī)制修正模型。

3.2 渠基凍土-襯砌相互作用模型

渠基土與襯砌間冰、水含量隨溫度變化，凍結(jié)力與凍脹力隨之變化且規(guī)律復(fù)雜，是渠道襯砌凍脹破壞的本質(zhì)原因。目前，凍土與混凝土界面間的接觸力學(xué)特性主要通過室內(nèi)低溫直剪試驗(yàn)完成，凍土的初始含水率、凍結(jié)溫度、法向壓力、土質(zhì)等因素對(duì)界面間相互作用力及其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和凍結(jié)強(qiáng)度具有重要影響[86-90]。應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化現(xiàn)象，采用摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論將界面間峰值強(qiáng)度分解為殘余強(qiáng)度和冰膠結(jié)強(qiáng)度，其中殘余強(qiáng)度由結(jié)構(gòu)-基土間的黏聚力和摩擦力組成，冰膠結(jié)強(qiáng)度主要與界面形成的分凝冰層有關(guān)；冷季時(shí)分凝冰層形成并傳遞作用力，暖季時(shí)融化而造成渠坡失穩(wěn)。

基于試驗(yàn)，陳良致等[91]建立了峰值強(qiáng)度前的龔帕茲三參數(shù)本構(gòu)模型來反映弱S型趨勢(shì)。董盛時(shí)等[92]建立了應(yīng)力-位移-溫度雙曲線本構(gòu)模型。李爽等[93]建立了襯砌-凍土相互作用的雙曲線接觸數(shù)值模型。Zhang等[94]采用側(cè)阻軟化模型描述膠結(jié)冰剪斷后的應(yīng)變軟化過程，擬合精度提高?；诖?，Liu等[95]采用COMSOL軟件建立了考慮含水率、溫度和法向壓力的接觸面模型。江浩源等[81]采用COMSOL軟件中的彈性薄層單元來模擬渠道襯砌-凍土間接觸行為，結(jié)合基土水-熱-力耦合模型，可較好地反映出分凝冰層對(duì)界面力學(xué)特性的影響，至此已初步形成考慮基土凍脹和界面接觸的渠道三場(chǎng)耦合凍脹模型。王羿等[82]進(jìn)一步模擬了渠道襯砌-土工膜-凍土間相互作用，建立了復(fù)合襯砌渠道凍脹的接觸模擬方法。

4 渠道防滲抗凍脹技術(shù)與措施研究進(jìn)展

寒區(qū)渠道凍脹破壞是由“溫-水-土-結(jié)構(gòu)”相互作用所致，需從這 4個(gè)因素著手來回避、適應(yīng)、削減或消除凍脹，保障渠道安全。目前已進(jìn)行了較多渠道防滲抗凍脹措施的探索、論證、現(xiàn)場(chǎng)示范及工程應(yīng)用，可總結(jié)為如圖4所示4類技術(shù)來簡(jiǎn)述進(jìn)展。

圖4 渠道防滲抗凍脹措施示意圖Fig.4 Diagram of measures on anti-seepage and anti-frost heave for canal

4.1 渠道“保蓄溫”技術(shù)

低溫凍結(jié)是渠道凍脹破壞的首要原因，“保蓄溫”技術(shù)是渠道防凍脹的有效技術(shù)，具體是指在襯砌板下方鋪設(shè)低導(dǎo)熱系數(shù)保溫板，對(duì)渠道基土進(jìn)行蓄熱保溫，以避免基土凍結(jié)或減少凍深，削減凍脹。保溫材料、厚度、鋪設(shè)方式已得到較多研究[38-39,45,67]，在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)[38]、寧夏引黃灌區(qū)[39]進(jìn)行了大規(guī)模試驗(yàn)和使用，防凍脹效果顯著。目前，常用的保溫材料有模塑聚苯乙烯苯板（Expanded PolyStyrene）、擠塑板（eXtruded PolyStyrene）等，具有質(zhì)輕、耐壓、保溫等優(yōu)良性能。采用保溫板時(shí)允許渠道下存在部分凍深，但需保證凍脹量滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其厚度選擇至關(guān)重要。過薄易存在極低溫環(huán)境下的保溫失效問題，過厚則增加工程費(fèi)用。值得注意的是，在水分補(bǔ)給充足的渠道中，保溫板會(huì)降低土體凍結(jié)速率，使凍深發(fā)展緩慢但水分遷移總量增加，反而會(huì)加大凍脹變形，因此需根據(jù)環(huán)境溫度及含水率情況，謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)保溫板厚度。同時(shí)亦可采用高熱容相變保溫板或相變膠囊土工膜[96]，利用其相變能調(diào)蓄熱量，進(jìn)一步提高保溫效果。但各種保溫材料的耐久性特別是在干濕凍融循環(huán)作用下的熱力學(xué)和力學(xué)性能老化問題值得關(guān)注。

4.2 渠道防滲與排水技術(shù)

渠道滲-凍互饋破壞引發(fā)滲漏水損失嚴(yán)重，是產(chǎn)生凍脹的主要原因，可通過合理控制基土含水率，減少因水分集聚產(chǎn)生的凍脹破壞，以提高渠系水利用系數(shù)[97]。其中，防滲材料、排水措施的選擇至關(guān)重要。

防滲材料的選擇原則是就地取材，因地制宜。主要包括混凝土、瀝青、砌石和復(fù)合土工膜等傳統(tǒng)防滲材料，以及膜袋混凝土、膨潤(rùn)土防滲毯、土工織物復(fù)合材料、聚合物纖維混凝土等新型材料，同時(shí)還有以化學(xué)改良、納米改性為手段對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行性能提升，如土壤固化劑和納米改性材料等。實(shí)踐表明混凝土與土工膜的復(fù)合襯砌防滲效果耐久可靠，是工程普遍采用的復(fù)合防滲抗凍脹措施，而新型再生混凝土、纖維涂層、環(huán)保防滲耐久等新材料開發(fā)前景廣闊。

針對(duì)高地下水位、地表水補(bǔ)給多或排水不暢的渠道而言，可采用碎石集水層和縱橫排水管網(wǎng)的方式，結(jié)合單向逆止閥系統(tǒng)，將基土內(nèi)水分進(jìn)行收集并排走，以減少襯砌渠道由于地下水不斷地向凍結(jié)鋒面遷移加劇凍脹破壞，防止快速退水時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)整體因揚(yáng)壓力過大而發(fā)生水脹破壞。

4.3 渠道“換填土”技術(shù)

“換填土”指將凍脹敏感性的細(xì)粒土置換為粗粒土等凍脹不敏感的材料，以切斷毛管水上升和地下水分遷移補(bǔ)給，從而控制凍脹量[68]。換填材料的選擇原則也是就地取材，常采用卵石、砂礫石或纖維砂袋等弱凍脹性土進(jìn)行換填，其厚度需結(jié)合土壤的類別、凍深、地下水埋深等綜合確定，該措施在甘肅景電工程、內(nèi)蒙河套灌區(qū)、北疆供水等工程中廣泛使用，防凍脹效果較好。但近些年在機(jī)場(chǎng)跑道、鐵路路基發(fā)現(xiàn)粗粒土換填后亦存在凍脹破壞問題，一是因?yàn)榧?xì)粒土的篩選不嚴(yán)格，二是因?yàn)榈乇砝浒濉板伾w效應(yīng)”作用下使粗粒土中水氣遷移凝霜而造成凍脹[98]。鑒于此，有待進(jìn)一步采用粗細(xì)分層復(fù)合壓實(shí)處理來切斷水、氣遷移聚集；或采用化學(xué)材料改性渠基土，使土中冰點(diǎn)降低或增強(qiáng)土的憎水性，以改進(jìn)傳統(tǒng)的換填土措施。

4.4 渠道“釋放力”技術(shù)

“釋放力”是指通過調(diào)整渠道斷面形狀或襯砌結(jié)構(gòu)形式，協(xié)調(diào)基土與襯砌間變形及相互作用，增強(qiáng)襯砌適應(yīng)基土凍脹變形的能力，以削減凍脹破壞。相較于梯形渠道而言，弧底梯形渠道、弧形坡腳梯形渠道、U形渠道因梯形腳弧形化而使凍脹力分布均勻化，適應(yīng)變形能力增強(qiáng)而得到廣泛應(yīng)用；同時(shí)亦出現(xiàn)了一些新型襯砌形式，通過在凍脹較強(qiáng)的部位加厚襯砌來抵抗凍脹，如肋型平板、楔形板或中部加厚板[21]。為使渠道過水流量大且凍脹變形小，李甲林等[21,80]提出了“水力+抗凍脹”雙優(yōu)斷面的設(shè)計(jì)方法，得到了相應(yīng)環(huán)境下的最優(yōu)斷面形式。摒棄以“抗”為主而采用“抗適協(xié)調(diào)”的思路，王正中等[69-71,81-82]提出了雙膜墊層及“適變斷面”等自適應(yīng)結(jié)構(gòu)來協(xié)調(diào)襯砌與渠基凍脹變形，主要?jiǎng)?chuàng)新思路如圖5所示。其中，雙膜墊層即在襯砌板和渠基土間利用2層土工膜的相對(duì)滑動(dòng)來減少凍結(jié)力約束，從而削減和調(diào)整襯砌板受到的凍脹力及其分布；“適變斷面”是采用弧形腳替換梯形腳或采用合適的柔性縫來吸收襯砌板的擠壓變形，適當(dāng)釋放凍脹變形而減少凍脹力。目前數(shù)值仿真確定出了適應(yīng)凍脹變形的合理雙膜布置方式和縱縫的位置、寬度、個(gè)數(shù)及其組合方案，防凍脹效果顯著。這些精確控制雙膜間摩擦力的“適摩”和合理設(shè)置縱縫的“適縫”技術(shù)的實(shí)踐效果，有待進(jìn)一步的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖5 “自適應(yīng)結(jié)構(gòu)”防凍脹措施示意圖Figure.5 Diagram of Anti-frost heave measures with adaptive structure

5 渠道防滲抗凍脹研究前沿和難點(diǎn)

隨著中國(guó)旱寒區(qū)大型灌區(qū)、調(diào)水工程及各類灌區(qū)升級(jí)改造的發(fā)展，渠道工程建設(shè)逐漸向大型化、現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。在強(qiáng)太陽(yáng)輻射、極端寒冷與土地鹽堿化等惡劣環(huán)境影響下，渠道面臨的冬季輸水、冰期輸水、水位驟降及行水-停水-凍脹-融沉等運(yùn)行工況更加復(fù)雜，其滲漏與凍融破壞形式多樣，機(jī)理復(fù)雜，這都對(duì)渠道防滲抗凍脹理論和技術(shù)提出了更高要求和挑戰(zhàn)。目前形成的旱寒區(qū)渠道防滲抗凍脹理論和技術(shù)體系仍需在工程實(shí)踐中不斷提升，最終建立1）旱寒區(qū)輸水渠道科學(xué)設(shè)計(jì)及安全校核的設(shè)計(jì)理論、方法與規(guī)范；2）旱寒區(qū)渠道全生命周期風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)預(yù)警模型和評(píng)價(jià)體系。

5.1 復(fù)雜環(huán)境工況下的渠道破壞機(jī)理

渠道運(yùn)行環(huán)境和工況復(fù)雜，其在太陽(yáng)輻射、春融、鹽漬化等外界環(huán)境以及冬季輸水、水位驟降等運(yùn)行工況作用下發(fā)生復(fù)雜的多場(chǎng)耦合作用，其破壞機(jī)理尚未完全明晰，有待進(jìn)一步發(fā)展。具體包括：

1）太陽(yáng)輻射作用下渠道陰、陽(yáng)坡發(fā)生水、熱、力的不均勻、不對(duì)稱、不同步變化，凍脹破壞存在差異，未來需結(jié)合室內(nèi)外試驗(yàn)探索太陽(yáng)輻射對(duì)渠基凍土水、熱、力分布的影響規(guī)律，揭示高寒強(qiáng)輻射區(qū)太陽(yáng)輻射對(duì)渠道凍脹破壞的影響規(guī)律和凍脹破壞機(jī)理。

2）春季渠道的融沉滑塌現(xiàn)象明顯，但其破壞機(jī)制尚不清楚。未來有必要結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)春融期間的水、熱、力變化規(guī)律，輔以電鏡掃描、核磁共振等微觀手段，明晰渠道的凍融劣化機(jī)理。

3）咸寒區(qū)渠道鹽凍脹破壞突出，基土凍結(jié)條件下水鹽遷移規(guī)律和鹽凍脹耦合互饋關(guān)系尚不明晰，未來有必要結(jié)合試驗(yàn)分析凍土中水、熱、鹽的變化規(guī)律，探明析晶-成冰規(guī)律，突破鹽脹-凍脹的耦合互饋關(guān)系，揭示渠道破壞的水-熱-力-鹽耦合機(jī)制。

4）冬季輸水無冰蓋運(yùn)行工況，氣候環(huán)境、渠水滲漏、水體溫度綜合影響基土的水、熱、力耦合作用，雖水體具有一定的保溫作用，但渠水滲漏會(huì)加大基土的含水率，加大低溫區(qū)凍脹變形量，尤其在水面附近不均勻凍脹變形較大，產(chǎn)生破壞；而針對(duì)冰蓋運(yùn)行工況，除上述因素影響外，冰蓋生消、冰蓋的厚度、靜冰壓力的發(fā)展、水位變幅波動(dòng)產(chǎn)生的冰蓋與襯砌板相互作用，導(dǎo)致冰-凍脹耦合破壞。未來可結(jié)合模型試驗(yàn)手段，明晰冬季輸水渠道的破壞機(jī)制。

5）渠道水位驟降時(shí)，渠坡反滲壓力過大引起渠道產(chǎn)生水脹（揚(yáng)壓力）破壞，但具體作用機(jī)理不夠清晰。未來需結(jié)合試驗(yàn)分析基土、襯砌板、土工膜滲透系數(shù)及渠道降水方式等對(duì)襯砌板底部揚(yáng)壓力的影響，以明晰渠道水位下降時(shí)的渠道水脹破壞機(jī)制。

5.2 渠道破壞的多場(chǎng)耦合數(shù)值模型

基于復(fù)雜環(huán)境工況下的渠道破壞機(jī)理，建立并完善描述渠基土凍融、滲漏、鹽凍脹過程與襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形響應(yīng)的多物理場(chǎng)耦合模型，是提升旱寒區(qū)渠道設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)，仍存在以下難點(diǎn)問題需解決：

1）渠道熱邊界的準(zhǔn)確性是決定渠道溫度場(chǎng)計(jì)算合理性的先決條件，宜考慮不同走向渠道太陽(yáng)輻射的周期變化及晝夜凍融循環(huán)影響，為此需進(jìn)一步研究渠道太陽(yáng)輻射模型，確定太陽(yáng)輻射參數(shù)和下墊面的合理取值；同時(shí)研究風(fēng)場(chǎng)作用下渠道斷面形狀、襯砌材料物理特性與表面吸熱及風(fēng)速分布的對(duì)流換熱模型，建立準(zhǔn)確的渠道熱邊界條件，以實(shí)現(xiàn)考慮陰、陽(yáng)坡及斷面形狀影響的渠道溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算。

2）凍融作用下渠基土的水-熱-力動(dòng)態(tài)耦合模型是渠道凍融破壞分析的核心部分，目前以水熱全耦合與應(yīng)力場(chǎng)單向耦合構(gòu)成的多場(chǎng)耦合模型來分析渠基土的凍脹彈性變形較為成熟，而力學(xué)參數(shù)與水熱參數(shù)間全耦合凍脹、融沉模型和凍融循環(huán)下的彈塑性損傷模型研究仍是難點(diǎn)。有必要通過單軸和三軸凍土加載試驗(yàn)，結(jié)合基質(zhì)勢(shì)、水分、溫度等傳感器，研究應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)與土水特征曲線、凍結(jié)曲線等水熱參數(shù)的耦合關(guān)系；研究不同荷載下基土的溫度、水分分布與融沉系數(shù)的關(guān)系，綜合建立渠道的凍脹-融沉模型；研究?jī)鋈谘h(huán)過程中基土傳熱系數(shù)、土水特征曲線、凍結(jié)曲線等水、熱、力參數(shù)的變化規(guī)律，建立各參數(shù)的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型；建立凍土的凍融劣化本構(gòu)數(shù)值模型，以建立完善的凍土水-熱-力耦合凍融劣化數(shù)值模型，以分析渠基土的凍融劣化、剝蝕與滑塌過程。

3）在水-熱-力耦合模型基礎(chǔ)上，研究鹽分對(duì)各場(chǎng)參數(shù)的影響規(guī)律，如凍結(jié)曲線、土水特征曲線、滲透系數(shù)、力學(xué)參數(shù)等，建立統(tǒng)一預(yù)測(cè)模型，結(jié)合咸寒區(qū)渠道鹽凍脹破壞機(jī)制，建立相應(yīng)的水-熱-力-鹽四場(chǎng)耦合數(shù)值仿真模型，為咸寒區(qū)工程設(shè)計(jì)和建筑物鹽凍脹破壞防治提供理論指導(dǎo)。

4）寒區(qū)渠道襯砌板在凍土凍脹融沉作用下發(fā)生破壞，以往的襯砌-凍土相互作用研究中多限于單次凍結(jié)狀態(tài)下研究含水率、溫度、法向壓力等因素對(duì)接觸面力學(xué)特性的影響，僅建立了數(shù)學(xué)擬合關(guān)系，物理意義不明確且精度較差，導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算的襯砌板應(yīng)力變形大于試驗(yàn)監(jiān)測(cè)值而失真。如何反映凍土與結(jié)構(gòu)界面反復(fù)凍結(jié)融化循環(huán)過程中相互作用的物理本質(zhì)，建立正確的接觸模型及其參數(shù)是當(dāng)前面臨的難題。探究在長(zhǎng)期反復(fù)多次凍融循環(huán)下襯砌-分凝冰-凍土的界面強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變特性，分析界面間凍脹力、凍結(jié)力的發(fā)展演化過程及接觸面的性能退化演變規(guī)律；另一方面，理論上建立接觸面黏塑性損傷模型，從損傷狀態(tài)變量、損傷模型參數(shù)、蠕變參數(shù)與溫度、含水率、凍融循環(huán)次數(shù)等變量的關(guān)聯(lián)出發(fā)來建立接觸面間力學(xué)本構(gòu)模型，結(jié)合凍土耦合模型，實(shí)現(xiàn)界面間應(yīng)力變形特性與冰、水含量的動(dòng)態(tài)分析，最后建立旱寒區(qū)基土與襯砌相互作用的渠道凍融破壞模型，綜合分析襯砌的凍脹、融沉、鼓脹、錯(cuò)動(dòng)、脫空和滑塌等破壞。

5.3 失效準(zhǔn)則與設(shè)計(jì)方法

失效準(zhǔn)則是旱寒區(qū)渠道防滲抗凍脹量化設(shè)計(jì)的閾值指標(biāo)，包括強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等。目前規(guī)范僅采用不可恢復(fù)的法向最大凍脹量這單一失效準(zhǔn)則，無法反映渠道凍融破壞的多種類型，且設(shè)計(jì)方法也僅是定性判斷及工程類比，無法滿足復(fù)雜環(huán)境下高標(biāo)準(zhǔn)、大規(guī)模渠道工程建設(shè)的需要。目前雖面向渠道襯砌結(jié)構(gòu)抗凍脹設(shè)計(jì)提出了材料力學(xué)和彈性力學(xué)等工程力學(xué)模型，但僅采用了拉應(yīng)力或最大變形等單一失效準(zhǔn)則，多種破壞類型的系統(tǒng)失效準(zhǔn)則以及模型中假設(shè)襯砌受到的凍脹力和凍結(jié)力分布規(guī)律有待修正。因此，未來仍需結(jié)合大型工程原型試驗(yàn)和水-熱-力耦合數(shù)值模擬手段，以氣候氣象、渠道走向、溫度、基土含水率、地下水位、土質(zhì)、斷面及結(jié)構(gòu)形式、渠道規(guī)模等為基本變量，探究渠道的凍融破壞形式及其所對(duì)應(yīng)的工程力學(xué)模型，并結(jié)合模型求解量，推導(dǎo)獲得反映結(jié)構(gòu)破壞臨界狀態(tài)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等指標(biāo)量的不等式關(guān)系，提出系統(tǒng)性的渠道凍融破壞失效準(zhǔn)則。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合諸如“防滲抗凍脹與適應(yīng)凍脹協(xié)調(diào)”、“水力+抗凍脹”雙優(yōu)化等設(shè)計(jì)理念，對(duì)渠道斷面尺寸和襯砌尺寸、接縫等參數(shù)進(jìn)行量化設(shè)計(jì)，并可結(jié)合數(shù)值模型對(duì)上述渠道進(jìn)行驗(yàn)算，形成工程力學(xué)模型設(shè)計(jì)、數(shù)值模型校核的旱寒區(qū)渠道結(jié)構(gòu)防凍融破壞的設(shè)計(jì)方法及標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)。

5.4 防滲抗凍脹措施定量化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)規(guī)范中多以控制臨界凍深和凍脹量的原則選取渠道的防滲抗凍脹措施，但條例較模糊，無明確的定量化指標(biāo)可供參考。如高地下水位區(qū)或滲漏區(qū)的縱橫排水管和排水井的聯(lián)合布置形式、保溫板的厚度、換填層的粒徑要求和換填深度、梯形腳弧形化的結(jié)構(gòu)尺寸等無定量化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以及“適摩”、“適縫”措施的工程效果等均未知。未來有必要結(jié)合室內(nèi)模型試驗(yàn)和大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析排水管和抽排水井的布置方式、尺寸和抽排效率對(duì)渠基土滲流場(chǎng)和地下水位的影響規(guī)律；探究考慮太陽(yáng)輻射影響的保溫板厚度對(duì)凍土水、熱、變形等綜合指標(biāo)量的影響規(guī)律；分析換填層的土料級(jí)配、不同壓實(shí)度下的凍脹量變化規(guī)律及換填深度對(duì)渠道凍脹變形的影響機(jī)理；研究不同梯形腳轉(zhuǎn)化的弧度和結(jié)構(gòu)尺寸下的襯砌板應(yīng)力變形分布，最終輔以數(shù)值模擬手段，確定出不同區(qū)域、氣溫、土質(zhì)、地下水位和基土含水率、渠道走向等影響下的防凍脹措施選取依據(jù)及定量化設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)修正上述措施，編制標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化的數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件，最終形成不同因素影響下的防滲抗凍脹技術(shù)體系。

5.5 全生命周期渠道工程安全災(zāi)害鏈動(dòng)態(tài)預(yù)警模型

輸水渠道常年經(jīng)歷著行水、停水、凍結(jié)、融化等多種工況的周期往復(fù)作用，老化損傷長(zhǎng)期累積，時(shí)間效應(yīng)強(qiáng)，超出一定閾值后產(chǎn)生的襯砌鼓脹、裂縫、錯(cuò)動(dòng)、渠坡滑塌等破壞形式并非單一存在，而是相互關(guān)聯(lián)、同源轉(zhuǎn)化，短期靜態(tài)的安全評(píng)價(jià)不能滿足全生命周期安全高效運(yùn)行的需求。未來需在大量監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬結(jié)果形成的數(shù)據(jù)庫(kù)之上，基于災(zāi)害鏈理論，將導(dǎo)致渠道破壞的環(huán)境因素、運(yùn)行工況、渠基土質(zhì)、渠道結(jié)構(gòu)形式及災(zāi)害形式等變量進(jìn)行定性分類，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種算法建立各變量間關(guān)系，以建立災(zāi)害鏈動(dòng)態(tài)預(yù)警模型。該模型需要更加全面、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)手段以獲得渠道內(nèi)部信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。目前，傳統(tǒng)渠道監(jiān)測(cè)手段以常規(guī)溫度、水分、位移傳感器及水準(zhǔn)儀等靜態(tài)觀測(cè)為主，能全面反映渠基土內(nèi)凍脹力、滲漏量、地下水、熱流量及外部輻射、風(fēng)、蒸發(fā)量等動(dòng)態(tài)災(zāi)害因子變化的監(jiān)測(cè)手段將成為寒區(qū)渠道災(zāi)害鏈分析的重要信息源，繼而可通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合渠道水-熱-力耦合凍脹模型分析災(zāi)害鏈的驅(qū)動(dòng)過程，以有針對(duì)性地采取防控措施及時(shí)預(yù)警、及時(shí)修復(fù)，為保障工程全生命周期的安全與健康運(yùn)行提供理論與技術(shù)支撐。

6 結(jié) 語(yǔ)

中國(guó)有關(guān)旱寒區(qū)輸水渠道凍脹破壞機(jī)理試驗(yàn)、工程力學(xué)模型、數(shù)值模型及防滲抗凍脹技術(shù)等研究已取得長(zhǎng)足發(fā)展，從早期的小比尺粗糙試驗(yàn)逐漸過渡到大型低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)精確測(cè)量的大比尺試驗(yàn)，以及加裝降溫系統(tǒng)的凍土模型離心裝置，使模型試驗(yàn)具有了較好的時(shí)空效應(yīng)；由早期憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行渠道的防凍設(shè)計(jì)，逐漸過渡到依據(jù)簡(jiǎn)明的工程力學(xué)設(shè)計(jì)方法，提升了渠道防凍脹設(shè)計(jì)理論；從早期的水-熱耦合或熱-力耦合模型發(fā)展到考慮冰水相變、水分遷移及橫觀各向同性凍脹特征的水-熱-力耦合凍脹模型，更加符合凍土凍脹本質(zhì)。同時(shí)，渠道防滲抗凍脹研究仍然面臨著諸多理論與技術(shù)難題有待解決，如特殊土地區(qū)的凍脹、鹽脹、冰蓋下輸水渠道的冰脹、應(yīng)急快速退水導(dǎo)致的水脹等問題。隨著中國(guó)西部旱寒區(qū)灌區(qū)建設(shè)和調(diào)水工程的大規(guī)模發(fā)展，建立復(fù)雜環(huán)境下不同規(guī)模旱寒區(qū)渠道環(huán)境荷載響應(yīng)分析、安全設(shè)計(jì)、災(zāi)害防治和全壽命周期安全預(yù)警與評(píng)價(jià)的一整套具有中國(guó)特色的渠道安全理論體系是必然趨勢(shì)。