肖旻，熊志豪，吳浪*，崔浩，楊曉松，葛建銳

高地下水位凍土區(qū)弧形底淺拱梯形渠道凍脹力學(xué)分析

肖旻1，熊志豪1，吳浪1*，崔浩1，楊曉松2，葛建銳3

（1.江西科技師范大學(xué) 建筑工程學(xué)院，南昌 330013；2.塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；3.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，蘭州 730000）

【目的】明確高地下水位凍土區(qū)弧形底淺拱梯形渠道凍脹破壞機(jī)理并提出簡捷、實(shí)用的抗凍脹設(shè)計(jì)方法?！痉椒ā靠紤]此類渠道拱高明顯小于斷面整體深度的特殊性，基于Winkler假設(shè)提出襯砌體法向凍脹力計(jì)算方法。論證高地下水位渠道襯砌體微小剛性上抬位移對(duì)曲線形弧段切向凍結(jié)力的影響機(jī)制并提出切向凍結(jié)力計(jì)算方法?；诖藰?gòu)建高地下水位凍土區(qū)弧形底梯形渠道凍脹力學(xué)模型。【結(jié)果】以某弧形底梯形渠道為原型，對(duì)比分析不同渠底中心地下水位對(duì)襯砌板截面內(nèi)力及所受凍脹力的影響。結(jié)果表明，越小則截面內(nèi)力及凍脹力分布的橫向差異越明顯；0越大，截面內(nèi)力及凍脹力分布受地下水補(bǔ)給條件的影響越小，與事實(shí)相符。充足的水分補(bǔ)給時(shí)間、補(bǔ)給來源以及凍脹力橫向的不均勻、不同步是此類渠道易遭受凍脹破壞的主要原因?！窘Y(jié)論】該模型可較好地反映此類渠道的凍脹受力特性，計(jì)算結(jié)果合理、可靠，可為高地下水位凍土區(qū)弧形底淺拱梯形渠道抗凍設(shè)計(jì)和相關(guān)研究提供參考。

凍土工程；灌溉渠道；力學(xué)模型；弧底梯形；高地下水位

0 引言

【研究意義】渠道滲漏是農(nóng)田灌溉中水分損耗的主要原因之一，混凝土襯砌是減少水分滲漏、提高水資源利用效率的有效方法。然而，在我國北方干旱寒冷地區(qū)，渠道經(jīng)常遭受嚴(yán)重凍害[1-2]。高地下水位渠道尤其如此。這類渠道在山區(qū)和平原較多見，如新疆塔里木灌區(qū)、甘肅白銀引黃灌區(qū)下游以及河西走廊內(nèi)陸河流域中下游地區(qū)均有大量修建[3-5]。高地下水位渠道往往成為凍土區(qū)渠系工程的難工地段與瓶頸渠段，需要更多地加以關(guān)注?！狙芯窟M(jìn)展】近年來，眾多學(xué)者對(duì)渠道凍害機(jī)理及凍脹力學(xué)模型進(jìn)行了研究[6-8]。王正中等[9]、肖旻等[10]對(duì)現(xiàn)澆混凝土襯砌梯形渠道，申向東等[11]、肖旻等[12]對(duì)預(yù)制混凝土襯砌梯形渠道，宋玲等[13]對(duì)冬季輸水工況下的梯形渠道，唐少容等[14]對(duì)三拼式小U形渠道，葛建銳等[15]對(duì)冰蓋輸水工況下的梯形渠道分別建立了凍脹力學(xué)模型。安鵬等[16]結(jié)合有限元方法建立了弧底梯形渠道抗凍脹結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。李宏波等[17]提出了一種結(jié)合力學(xué)模型基于實(shí)測(cè)凍脹變形反演渠道凍脹內(nèi)力的解析方法。劉東等[18]結(jié)合凍脹力學(xué)模型基于PSO算法進(jìn)行梯形渠道斷面的優(yōu)化及參數(shù)分析。由此可見，關(guān)于渠道凍脹力學(xué)模型的建立與應(yīng)用方面已有大量探索?！厩腥朦c(diǎn)】弧底梯形渠道因其具有良好的適應(yīng)凍脹能力而得到廣泛推廣應(yīng)用，但在廣大季節(jié)性凍土區(qū)尤其是高地下水位地區(qū)仍極易發(fā)生凍脹破壞。建立簡捷、實(shí)用的高地下水位凍土區(qū)弧底梯形渠道凍脹力學(xué)模型很有必要。此外，已有模型中對(duì)弧底板切向凍結(jié)力分布的假定也缺少必要的論證。【擬解決的關(guān)鍵問題】為此，本文以高地下水位凍土區(qū)弧形底淺拱梯形渠道為研究對(duì)象，分析其凍脹特征，進(jìn)而構(gòu)建凍脹力學(xué)模型。

1 模型的建立

1.1 高地下水位凍土區(qū)弧形底梯形渠道凍脹特征

高地下水位渠道基土凍結(jié)過程中存在明顯水分補(bǔ)給，易引發(fā)顯著凍脹變形。此時(shí)凍土-襯砌間法向凍結(jié)約束有時(shí)不能阻止基土凍脹引起的襯砌結(jié)構(gòu)整體上抬趨勢(shì)。由于弧形底梯形渠道良好的整體性和復(fù)位能力，法向約束失效并不意味著結(jié)構(gòu)最終破壞，還需要進(jìn)一步的驗(yàn)算和校核。鑒于此，本文考慮無法向凍結(jié)約束的情形，對(duì)高地下水位區(qū)微小剛性上抬的弧形底淺拱梯形渠道進(jìn)行力學(xué)分析?，F(xiàn)對(duì)其工程特性與凍脹特征作簡要分析：

1）特定地區(qū)具體氣象、土質(zhì)條件下，地下水遷移與補(bǔ)給是影響高地下水位地區(qū)渠道斷面各位點(diǎn)基土凍脹強(qiáng)度的主要因素[3-4, 19-20]。

2）弧形底梯形渠道斷面連續(xù)光滑、無板間接縫與拐角，其整體性顯著強(qiáng)于普通梯形渠道。因此，凍脹力作用下襯砌結(jié)構(gòu)有整體上抬趨勢(shì)。又由于太陽輻射差異造成陰、陽坡受力不均衡，易使結(jié)構(gòu)發(fā)生微小剛性轉(zhuǎn)動(dòng)。通過這種位移協(xié)調(diào)與變形釋放將使結(jié)構(gòu)二側(cè)受力趨于均勻分布[3, 21-23]?；诖?，本文中采用對(duì)稱模型。

3）襯砌板所受法向凍脹力、切向凍結(jié)力分布規(guī)律除受各點(diǎn)至地下水埋深距離不同的影響外，曲線段底板還受到各點(diǎn)局部幾何特性影響。由于淺拱梯形渠道拱高相比斷面深度小很多，從而不考慮地下水分補(bǔ)給差異對(duì)弧底板各點(diǎn)受力變形的影響，認(rèn)為法向凍脹力均勻分布，切向凍結(jié)力則僅受到弧底板各點(diǎn)局部幾何特性的影響。

1.2 基本假設(shè)與計(jì)算簡圖

結(jié)合已有研究與工程實(shí)踐[3-4, 9-15]，做如下假設(shè)：

1）渠道沿輸水方向尺寸遠(yuǎn)小于橫向尺寸，渠道的凍脹力學(xué)分析簡化為平面應(yīng)變問題。

2）冬季漫長，渠道基土凍結(jié)速率緩慢，結(jié)構(gòu)凍脹破壞視為準(zhǔn)靜態(tài)過程。即基土凍結(jié)凍脹過程中結(jié)構(gòu)始終處于平衡狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生凍脹破壞時(shí)則處于極限平衡狀態(tài)。

3）渠基土滿足Winkler假設(shè)中的局部性要求[24-25]，即襯砌各點(diǎn)所受凍脹力大小僅由各點(diǎn)對(duì)應(yīng)處渠基土局部的凍脹特征決定[3-4, 26-27]。對(duì)特定氣象、土質(zhì)條件下的高地下水位凍土區(qū)渠道而言，襯砌各點(diǎn)對(duì)應(yīng)處基土凍脹強(qiáng)度由各點(diǎn)地下水位決定[3-4, 19-20, 26-27]。

4）淺拱渠道拱高較小，從而各點(diǎn)至地下水埋深（即渠頂?shù)叵滤唬┑木嚯x相差不大，故可認(rèn)為弧形底各點(diǎn)所受法向凍脹力近似均勻分布。

圖1為弧形底淺拱梯形渠道斷面示意圖。m、s為兩側(cè)坡頂；2為開口寬度（m）；2為弧形底的圓心角（rad）；為斷面深度（m）；為拱高（m）；為弧底半徑（m）；=為坡角（rad）；為渠底中心處地下水位（m）。()為作用在襯砌板上的法向凍脹力（Pa）；()為作用在襯砌板底部的切向凍結(jié)力（Pa）；0為弧底板所受法向凍脹力（Pa）；max為襯砌直線段與曲線段連接處切向凍結(jié)力（Pa）。C點(diǎn)為襯砌體直線段與曲線段的連接點(diǎn)。渠頂?shù)叵滤粸?（m），顯然有0=+。

圖1 弧底梯形渠道斷面示意

1.3 法向凍脹力

采用圖1所示坐標(biāo)系，弧底梯形渠道斷面曲線方程如下（考慮到對(duì)稱性，僅給出側(cè)表達(dá)式，下同）：

式中：為斷面曲線各點(diǎn)切線與軸正方向的夾角（rad）；=-·sinα·tan；拱高為=(1-cos)。

由幾何關(guān)系，襯砌各點(diǎn)地下水位為：()=+()。

大量研究表明[2-4, 12, 15, 19-21, 26-30]，凍土凍脹率與地下水位之有如下函數(shù)關(guān)系：

式中：為凍土凍脹率（%）；為計(jì)算點(diǎn)地下水位（m）；、為與特定地區(qū)氣象、土質(zhì)條件有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，反映了除地下水補(bǔ)給以外其他影響因素的綜合影響，可結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲取?？紤]到襯砌各點(diǎn)地下水位不同，應(yīng)用Winkler模型中的局部性假設(shè)，即認(rèn)為襯砌體某處法向凍脹力大小僅與該處局部基土凍脹特征有關(guān)，結(jié)合木下誠一凍脹力與凍脹率的線性關(guān)系[20-21, 26-27, 30]，可得襯砌各點(diǎn)法向凍脹力分布：

式中：1為凍土彈性模量（MPa）。令()=tan，則()沿軸方向分量為q()=()[/(1+2)1/2]，其沿軸方向分量為q()=()[1/(1+2)1/2]。

1.4 切向凍結(jié)力

此處切向凍結(jié)力是指因襯砌體的微小剛性上抬使凍土與結(jié)構(gòu)接觸面有相對(duì)位移趨勢(shì)時(shí)在襯砌底面引起的凍結(jié)摩擦阻力。

就特定地區(qū)高地下水位襯砌渠道而言，直線段坡板主要考慮各點(diǎn)地下水補(bǔ)給條件的差異確定切向凍結(jié)力分布，即()越小的位點(diǎn)切向凍結(jié)力就越大，自坡頂沿坡面線性增大，到直線段與曲線段的連接處取最大值；對(duì)曲線段弧底板，因淺拱渠道弧底板各點(diǎn)地下水位相差不大，從而應(yīng)主要考慮斷面幾何特性的影響。如圖2所示，設(shè)想弧底板各點(diǎn)產(chǎn)生相同的微小剛性上抬位移Δ，不同的各點(diǎn)投影到接觸面上的相對(duì)位移不同，其他影響因素相似時(shí)，將引起各點(diǎn)切向凍結(jié)力大小不同。當(dāng)越大投影到接觸面上的相對(duì)位移Δ=Δsin就越大，則切向凍結(jié)力也越大。同時(shí)考慮到對(duì)稱性，弧底中心處切向凍結(jié)力應(yīng)為0?；谝陨戏治觯谇邢虻腤inkler假設(shè)[31]，現(xiàn)補(bǔ)充如下假定：弧底板各點(diǎn)切向凍結(jié)力大小與接觸界面切向相對(duì)位移Δ成正比即與sin成正比。綜上，切向凍結(jié)力大小可由下式計(jì)算：

式中：ε為比例系數(shù)?？梢娚鲜侥軡M足渠底中心切向凍結(jié)力為0的必要條件。事實(shí)上，這可以看作接觸面切向相對(duì)位移Δv為0時(shí)的特殊情形。類似地，切向凍結(jié)力在x軸方向的投影為τx(x)=τ(x)[1/(1+m2)1/2]；在y軸方向的投影為τy(x)=τ(x)[m/(1+m2)1/2]。

2 模型的求解

2.1 切向凍結(jié)力計(jì)算

求解()的關(guān)鍵在確定比例系數(shù)。因襯砌體為薄板結(jié)構(gòu)，故不考慮重力影響，是偏安全的。依據(jù)側(cè)襯砌板豎直方向靜力平衡條件，有下式成立：

式中：1為襯砌結(jié)構(gòu)的s側(cè)部分，包括直線段及弧形底的1/2；d為弧微分。把式（3）、式（4）代入式（5）并積分可得：

其中，

對(duì)于特定的具體渠道而言，式（7）中的相關(guān)參數(shù)均為已知，從而由式（6）即可確定系數(shù)，進(jìn)一步可確定切向凍結(jié)力的分布規(guī)律。

2.2 截面內(nèi)力計(jì)算

仍以s側(cè)為例。取橫坐標(biāo)為′的截面（稱截面′）及該截面以上部分為隔離體。

1）直線段

首先計(jì)算襯砌體直線段各截面軸力(′)、剪力(′)與彎矩(′)。其中(′)由下式計(jì)算：

(′)由下式計(jì)算：

(′)由下式計(jì)算（以內(nèi)側(cè)即底面受拉為正）：

其中，

由式（8）—式（10）可確定直線段與曲線段連接處C點(diǎn)的軸力c、剪力c及彎矩c。

2）曲線段

截面合力是截面軸力與截面剪力的合力。確定截面合力后可通過投影獲得各截面軸力與剪力?，F(xiàn)計(jì)算襯砌體弧形底各點(diǎn)截面合力N(′)。N(′)在軸方向的分量N(′)可由下式計(jì)算（投影到切線方向后是拉力為正）：

N(′)在軸方向的分量N(′)可由下式計(jì)算：

結(jié)合式（12）、式（13）可得截面合力N(′)如下（其方向可由上述2個(gè)投影分量的計(jì)算結(jié)果確定）：

由力矩平衡條件可得彎矩(′)的計(jì)算式為：

式中：1(′)為襯砌體直線段與曲線段連接處截面內(nèi)力在截面′處引起的彎矩；2(′)為法向凍脹力()在截面′處引起的彎矩；3(′)為切向凍結(jié)力()在截面′處引起的彎矩。各截面內(nèi)力確定后，參照已有研究[7]，由工程力學(xué)方法可進(jìn)行抗凍設(shè)計(jì)，對(duì)襯砌體強(qiáng)度進(jìn)行校核，并對(duì)易裂位置是否安全進(jìn)行驗(yàn)算。

3 工程算例

以某弧形底淺拱梯形渠道為例。該地區(qū)干旱少雨、寒冷多風(fēng)，有河流穿行且建有平原水庫，地表水豐沛。地下水為河流兩岸嵌入式淡水體，地下水埋深淺。對(duì)于此類高地下水位寒旱區(qū)，引發(fā)基土凍脹的主要水分來源為地下水，地下水補(bǔ)給條件是決定襯砌各點(diǎn)對(duì)應(yīng)處基土凍脹強(qiáng)度的主導(dǎo)因素。該渠道為C15混凝土襯砌，板厚為0.15 m?；⌒蔚装霃綖?.2 m，坡角為30°，直線段板長為3 m。渠基土土質(zhì)為壤土，極端最低氣溫可達(dá)-29 ℃，凍土層最低溫度約為-15 ℃。基土凍深約1 m。表1所示相關(guān)參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)系數(shù)按凍土層最低溫度取值，這是偏安全的?；⌒蔚装骞案呒s占渠道斷面深度的1/10，故該渠道屬于弧形底淺拱渠道。

表1 相關(guān)參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)系數(shù)[20,28,32-33]

1）截面內(nèi)力

首先應(yīng)先確定切向約束反力()的分布規(guī)律，關(guān)鍵在于確定系數(shù)。對(duì)本例中特定地區(qū)具體襯砌渠道而言，相關(guān)參數(shù)以及經(jīng)驗(yàn)系數(shù)均是確定的，代入式（6）、式（7）中可得=15.18?；诖?，通過式（8）、式（10）可得襯砌體直線段截面軸力及彎矩分布。取弧形底板中心處地下水位分別為0.5、1（真實(shí)值）、1.5、2 m時(shí)進(jìn)行計(jì)算，分析高地下水位凍土區(qū)地下水位對(duì)襯砌體截面內(nèi)力及凍脹力分布的影響，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

由圖3（a）可見，就襯砌體直線段而言，截面軸力自渠頂沿坡面向直線段與弧底板的連接處（即C點(diǎn)處）逐漸增大，在C點(diǎn)處達(dá)到最大值，且均為壓力，變化趨勢(shì)與已有研究相符[22]。對(duì)不同渠底中心地下水位時(shí)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析表明，渠底中心地下水位對(duì)遠(yuǎn)離C點(diǎn)處的截面軸力影響較?。划?dāng)臨近C點(diǎn)時(shí)，同一位置隨增大，截面軸力迅速增大。

圖3 襯砌體直線段內(nèi)力與凍脹力分布圖

由圖3（b）可見，襯砌體直線段各截面彎矩自渠頂沿坡面向C處也逐漸增大，在C點(diǎn)處達(dá)到最大值，這也與已有研究相符[22]。對(duì)比分析結(jié)果表明，對(duì)截面彎矩的總體變化趨勢(shì)影響較小，但對(duì)截面彎矩大小尤其是對(duì)最大彎矩影響顯著。由式（10）可知，對(duì)于特定斷面的弧形底梯形渠道而言，隨著越小，最大截面彎矩將呈指數(shù)規(guī)律增大，這表明高地下水位凍土區(qū)渠道襯砌極易因局部彎矩過大而遭受凍脹破壞，這與事實(shí)相符。

如圖3（c）是不同時(shí)凍脹力沿坡板分布規(guī)律。由圖3（c）可見，凍脹力分布呈明顯的橫向差異即不均勻性，且越小即0越小時(shí)，這種橫向差異越顯著；0越大時(shí)，凍脹力量值迅速減小且橫向差異逐漸減弱，表明地下水補(bǔ)給的影響隨著0增大而迅速變小，這與事實(shí)相符。對(duì)于固定的特定渠道而言，凍脹力自坡頂向C點(diǎn)處呈指數(shù)規(guī)律增大，越靠近地下水位，凍脹力越大且分布越不均勻，越遠(yuǎn)離地下水位，凍脹力則越小且分布越均勻。

2）易裂位置與抗裂驗(yàn)算

結(jié)合工程實(shí)踐、已有研究[22]及本文模型結(jié)果，最易破壞位置在襯砌直線段與弧底板連接處即C點(diǎn)與渠底中心附近。現(xiàn)以C點(diǎn)為例作抗裂驗(yàn)算。結(jié)合C點(diǎn)截面軸力及彎矩計(jì)算結(jié)果，得該處最大拉應(yīng)力為：maxc=(6c/′2)-(c/′)=1.433 MPa≥[]=1.1 MPa，其中′為板厚（m）；[]表示允許拉應(yīng)力（MPa）。

由此可見，C點(diǎn)處截面最大拉應(yīng)力大于允許拉應(yīng)力，表明由于受到高地下水位的影響，該渠道襯砌有開裂的可能。對(duì)于高地下水位渠道而言，充足的水分補(bǔ)給時(shí)間、補(bǔ)給來源以及法向凍脹力橫向的不均勻、不同步是引起襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞的主要原因。

4 討論

已有研究中[21]弧底梯形渠道直線段法向凍脹力常假設(shè)為線性分布，本文模型結(jié)合工程實(shí)踐、試驗(yàn)研究[20]、木下誠一公式[20]及Winkler局部性假設(shè)[24-25]，提出直線段法向凍脹力的非線性分布規(guī)律，更加符合高地下水位凍土區(qū)的實(shí)際情況。此外，已有研究對(duì)弧形底所受切向凍結(jié)力分布的假定缺乏必要的論證，本文模型同時(shí)考慮地下水補(bǔ)給條件及弧底各點(diǎn)局部幾何特性的不同，結(jié)合凍土-襯砌接觸面切向相互作用特點(diǎn)，提出切向凍結(jié)力分布的非線性分布規(guī)律。結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析，結(jié)果表明，該模型可以較好地反映高地下水位凍土區(qū)地下水補(bǔ)給條件對(duì)渠道襯砌體凍脹受力及凍脹變形的影響，估算的易開裂部位與工程實(shí)際及已有研究結(jié)果基本相符。

本文研究對(duì)象為高地下水位凍土區(qū)弧底淺拱梯形渠道，一般認(rèn)為整個(gè)斷面均處于地下水補(bǔ)給影響范圍內(nèi)，暫不考慮0大于臨界值的情形。但實(shí)際上，對(duì)0處于臨界值附近的過渡情形，該模型仍能較好地進(jìn)行描述。工程實(shí)際中[26]，()越小的部位凍脹力量值較大且分布不均勻，()越大凍脹力量值較小且趨于均勻分布。本文中用于描述凍脹率、凍脹力的負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系恰好也具有類似特征，因此能較好地體現(xiàn)高地下水位及臨界埋深附近的情形。

需要說明的是，本文模型未考慮因襯砌體微小剛性上抬位移引起凍脹力的消減和釋放效應(yīng)，這是偏安全的；此外，在渠坡頂部設(shè)置頂蓋板的情形本文也未加以考慮。以上均有待進(jìn)一步的深入研究。

5 結(jié)論

1）以高地下水位凍土區(qū)弧底淺拱梯形渠道為研究對(duì)象，分析此類渠道的凍脹特征，并構(gòu)建相應(yīng)凍脹破壞力學(xué)模型。針對(duì)此類渠道弧形底拱高相對(duì)整個(gè)斷面深度較小的特點(diǎn)，采用弧底板法向凍脹力均勻分布的假設(shè)；同樣基于此，指出當(dāng)襯砌體產(chǎn)生微小剛性上抬時(shí)，弧形底板各點(diǎn)局部幾何特性將對(duì)切向凍結(jié)力產(chǎn)生顯著影響，并據(jù)此導(dǎo)出了一種曲線形弧段切向凍結(jié)力的計(jì)算方法。

2）以某弧底淺拱梯形渠道為例，對(duì)比分析了不同渠底中心地下水位對(duì)截面內(nèi)力及凍脹力分布的影響。結(jié)果表明，越小則截面內(nèi)力及凍脹力分布的橫向差異越明顯；0越大截面內(nèi)力及凍脹力分布受地下水補(bǔ)給條件的影響越小，與事實(shí)相符。

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Mechanical Analysis of Frost Heave of Trapezoidal Canal in Frozen Soils with Shallow Groundwater Table

XIAO Min1, XIONG Zhihao1, WU Lang1*, CUI Hao1, YANG Xiaosong2, GE Jianrui3

(1. School of Civil Engineering, Jiangxi Science&Technology Normal University, Nanchang 330013, China;2. College of Water Conservancy and Construction Engineering, Tarim University, Alaer 843300, China;3. College of Energy and Power Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

【Objective】Frost heave is a hazard damaging canals constructed in frozen soils with shallow groundwater table. Taking trapezoidal canals with arc bottoms as an example, this paper investigated the mechanisms underlying the formation of frost heave and its dependance on groundwater table depth.【Method】The analysis was based on the Winkler assumption and that the height of the arc was much less than overall depth of the canal. We proposed a method to calculate the variation of normal force over the frost heave force, as well as the distribution of tangential freezing force over the curved segments of the canal linings. A mechanical model was constructed to analyze the damages caused by frost heave. 【Result】The transverse difference in the distribution of the sectional internal force and the frost heave force both increased as the depth of groundwater table decreasedThe effect of groundwater table depth on distribution of the sectional internal force and frost heave force decreased as the depth of the groundwater table increased. Adequate time and source for water recharge and transversely uneven distribution of frost heave force are the main cause of frost heave damage to the canals. 【Conclusion】The proposed model describes the mechanical characteristic of the canals due the impact of frost heave reasonably well, and the calculated are accurate and reliable.The proposed method and results provide a tool to help design canals to improve the resistance against frost heave damages.

frost soil engineering; irrigation canals; mechanical model; trapezoidal canal with shallow arc-bottom; high groundwater level

1672 - 3317（2022）07 - 0104 - 07

S277；TV67

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022024

肖旻, 熊志豪, 吳浪, 等. 高地下水位凍土區(qū)弧形底淺拱梯形渠道凍脹力學(xué)分析[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(7): 104-110.

XIAO Min, XIONG Zhihao, WU Lang, et al. Mechanical Analysis of Frost Heave of Trapezoidal Canal in Frozen Soils with Shallow Groundwater Table[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(7): 104-110.

2022-02-22

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目（2017YFC0405100）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U2003108，51641903，51869029）；江西科技師范大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（2019BSQD11）

肖旻（1987-），男。博士，主要從事凍土工程研究。E-mail: xmhdts@qq.com

吳浪（1981-），男。副教授，博士，主要從事凍土工程研究。E-mail: 348385613@qq.com

責(zé)任編輯：白芳芳