我国北方地区冬季,地表土壤冻结,春季融化,经历周期性的冻融。这种周期性的冻融使许多坐落在土基上的输水渠道防渗体产生不同部位、不同形式和不同程度的冻融破坏。山西省地处这种季节性冻土区,渠道衬砌冻融破坏严重,现有的骨干建筑的50%、渠系建筑物的40%的和渠道衬砌体的32%受冻融而破坏。本文以水利部大中型灌区续建配套项目设立的“大型梯形渠道弧形底混凝土防渗结构抗冻性能研究(编号20081015)”项目为依托,基于历时两个冻融期,原型原位对梯形渠道弧形底十四种不同混凝土衬砌体的观测,较系统地研究了梯形渠道弧形底混凝土衬砌冻胀特性,揭示了梯形渠道弧形底混凝土衬砌体的冻胀规律;分析了冻胀机理、影响衬砌体冻胀的主要因素的变化规律以及它们之间相互关系;比较了不同渠道衬砌形式的抗冻胀效果和优缺点;提出了试验区气候条件下的渠道衬砌优化方案;建立了以冻结温度、渠道断面和衬砌体尺寸等为参数的梯形渠道弧形底混凝土衬砌抗冻力学模型,并以模型为基础,编写了渠道衬砌体应力计算和配筋程序。研究结果表明:⑴整个越冬期,渠基表土含水量随时间变化幅度较大,而深层土壤含水量变化相对稳定。地温随土壤深度增加而升高,同一时间,同一深度处地温值由渠道底部至顶部逐渐升高。土壤含水量与冻结指数和地温、地温与冻结指数间均存在二次多项式相关关系。⑵沿渠道坡面衬砌板冻胀位移量大小不等,渠顶处位移最小,而靠近渠底位移量最大,渠底有较明显的垂直位移。阳坡冻胀破坏产生的裂缝较少,阴坡衬砌产生裂缝较为普遍,开裂部位集中在底板弧形角与坡板连接处。冻胀位移量和冻结指数和板下土壤温度存在三次多项式相关关系。裂缝宽度与冻结指数存在二次多项式关系,与板下土壤温度存在指数函数关系。⑶渠道混凝土衬砌是否配置铅丝网对于冻胀位移量和裂缝宽度有较大影响。不同衬砌处理的板下土壤温度、含水量和冻胀位移量存在差异。比较分析后认为设置纵向缝并铺设土工膜的20cm厚混凝土现浇板和铺设置土工膜并配置铅丝网的8cm厚混凝土现浇板是该地区最优的两种衬砌方案。⑷采用冻胀力学模型程序对梯形渠道弧形底的设计进行辅助计算是可行的。以土壤温度、渠道坡角、渠道尺寸及其他参数作为模型计算的变量可获得与工程实际相符的结果。本课题以汾河一坝灌区西干渠野庄段渠道防渗体抗冻胀为研究对象,主要针对梯形渠道弧形底混凝土衬砌板结构类型与抗冻胀措施进行了研究。研究结果对汾河灌区进行的大型灌区续建配套与节水改造工程急需解决的关键技术和难题具有实际意义,对于水工建筑物抗冻胀设计理论的进步具有一定的科学意义,但由于问题的复杂性和方法手段的有限性,许多方面的问题还停留在定性研究的水平上,还有待进行深入的研究。