近年来,我国新疆地区建设了大量的输水渠道。但是新疆大部分地区属于季节性冻土区域,导致渠道发生严重的冻胀破坏,这影响了下游供水侧人民的生产生活。新疆地区海拔较低,地温偏高,所以可利用碎石层的“热半导体”效应,将渠底下部高温进行利用,从而提高渠道两邦的渠基温度,减小渠基冻深,改善冻胀破坏情况。据此,本文对渠基土质填料以及碎石填料进行了单向冻结试验:应用不同的补水条件,对不同的地下水位进行模拟,分析了温度场和水分场的变化,讨论了颗粒填料的粒径大小对温度提升效果的影响,并基于水热耦合理论,建立了含有碎石换填槽的渠道的有限元模型,通过对该模型的数值分析,为碎石换热技术的工程应用提出了建设性意见。主要工作成果如下:(1)进行了渠基土的单向冻结试验,通过试验得出在不同补水条件下土体温度场、水分场的变化,结果表明:土体在降温过程中,开始降温速率较大,土体快速降温,随后降温速率降低,土体温度趋于稳定。土体在补水条件下冻深明显增大,并且顶部温度明显下降。土壤水分迁移受冻结锋面影响,冻结锋面到达前水分迁移明显,冻结锋面过后未冻水含量基本保持不变。(2)完成了不同粒径碎石填料在不同补水条件下的单向冻结试验,比较了不同粒径对于温度场的改变效果以及降温速率,并比较了补水条件对于碎石试样的温度场的影响。试样整体温度随着颗粒直径的增加先升高后降低,在某一粒径时温度达到最大。水分补给条件对于碎石样温度改变影响不大,同一试样在不同补水条件下上部温度基本一致。(3)通过水热耦合理论建立了碎石换填槽的渠道有限元模型,对不同温度梯度以及不同粒径下的温度场进行模拟。结果表明:在同一粒径下,温度梯度越大,碎石换填槽对渠道冻深的改善越大;在同一温度梯度下,换填粒径越大,冻深减小越明显。