考虑地下水位影响的现浇混凝土梯形渠道冻胀破坏力学分析

肖 旻，王正中,2※，刘铨鸿，王 羿，葛建锐

（1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100；2. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，兰州730000）

·农业水土工程·

考虑地下水位影响的现浇混凝土梯形渠道冻胀破坏力学分析

肖 旻1，王正中1,2※，刘铨鸿1，王 羿1，葛建锐1

（1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，杨凌 712100；2. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，兰州730000）

地下水的补给与迁移是高地下水位渠道的冻胀破坏的主要影响因素。该文提出了一种考虑地下水位影响的梯形渠道衬砌冻胀力分布计算方法，推导出地下水位影响的渠道基土冻胀强度和冻结深度分布的计算公式，并得到现浇混凝土衬砌的截面最大弯矩和最易破坏截面位置的解析表达式。从整体与局部2个方面定量分析梯形渠道衬砌冻胀力分布的不均匀性，为渠道的抗冻性能评价和断面优化提供了定量指标，结果表明：渠深越浅，坡板倾角越小，冻胀力分布越均匀，越不易发生破坏，揭示了宽浅式梯形渠道抗冻性能良好的原因。以塔里木灌区某梯形渠道为原型，对不同地下水埋深的渠道冻胀特征和受力进行了分析，并与观测资料进行了对比，其中基土冻深的计算值与观测值之间的最大相对误差为3.5%，估算最大弯矩所在截面的位置为距离坡顶63.9%坡板长处，与灌区实地调查结果基本相符，表明了方法的实用性和合理性。最后，对高地下水位梯形渠道的冻害机理进行了分析，该研究可为高地下水位现浇混凝土梯形渠道衬砌的抗冻设计和相关研究提供参考。

水分；渠道；冻土；冻胀；高地下水位；塔里木灌区；冻害机理

0 引 言

在中国广大季节性冻土区，灌溉渠道经常遭受严重冻害，破坏形式主要表现为衬砌的冻胀破坏[1]。新疆塔里木灌区以阿拉尔市为中心[2]，年最低气温−24～−29.3 ℃，已修渠道2 355 km，地表水丰沛，有阿克苏新大河、和田河等五大河流贯穿，地下水为河流两岸嵌入式水体，埋深仅2～3 m，渠道衬砌存在严重的冻胀破坏。由于雨量稀少且地下水埋深浅，引发冻胀的主要水分来源是地下水，这类地区渠道冻胀破坏规律的研究必须考虑地下水的影响。

王正中等[3-4]对现浇梯形、弧底梯形渠道，申向东等[5]对预制板梯形渠道，宋玲等[6]对冬季输水条件下的梯形渠道进行冻胀力学分析，建立了一系列冻胀破坏工程力学模型，为工程设计提供了简明、实用的设计方法。但此类模型多基于工程经验预先假定冻胀力分布由静力平衡条件求解，且未定量考虑地下水位的影响。渠道冻胀数值仿真可以考虑地下水位的影响[7-10]，但因其分析过程复杂繁琐，不便于广泛推广应用，工程实践中迫切需要既能反映本质，又简捷、实用的渠道冻胀破坏设计计算方法。

众多学者对考虑地下水影响的土体冻胀特性进了研究[11-15]。中国北部如甘肃、新疆等大部分省区的水利、道路部门均设置大型冻胀试验场观测地下水对土体冻胀的影响[16-19]。Stephen[20]通过土体冻结试验指出其他条件相同时，地下水埋深不同将引起土体不均匀冻胀；Michalowski等[21]基于孔隙率模型提出采用增长张量反映冻胀变形不均匀性的模型；王正中[3]认为衬砌各点地下水位和冻结锋面方向不同必然引起不均匀冻胀变形，导致结构破坏；黄继辉等[22]对寒区隧道的研究表明不均匀冻胀是产生冻胀应力并导致结构破坏的重要原因。

目前渠道冻胀的力学分析和数值模拟对表层环境因素（如太阳辐射、输水条件等）的关注较多，考虑地下水影响的相对较少。工程中则仅按邻近气象站的地下水埋深进行抗冻分析和设计，未考虑距地下水位较近的点由于地下水补给而导致冻胀的加剧，也未考虑各点至地下水位的距离不同导致的不均匀冻胀力和冻胀变形。这两方面对高地下水位以及挖方渠道的影响尤为显著，需更多地加以关注。

基于此，本文提出一种考虑地下水位影响的梯形渠道冻胀破坏简明计算方法，并给出反映渠道基土冻胀强度和冻结深度不均匀分布的计算式，进一步分析了衬砌的冻胀不均匀性。结合原型渠道对其在不同地下水位时的冻胀力学特性进行了对比分析，最后阐明了高地下水位梯形渠道的冻害机理。

1 高地下水位渠道基土冻胀强度和冻深沿断面的分布

Stephen等[23-24]对有无地下水补给的土体冻结进行对比试验，结果表明有补给时的土体冻胀强度比无补给时大得多。高地下水位渠道在特定地区的特定气象、水分、土质条件下，地下水补给强度是土体冻胀强度的主要影响因素；由于水分相变释放潜热，同时水分重分布和冰相的出现导致土体热容量、导热率等热力学性质发生改变，地下水补给强度对土体冻结深度也有显著影响[25-26]。

结合已有研究成果和工程实践[3-5]，作如下假设：1）衬砌渠道纵向尺寸远大于横向尺寸，对渠道冻胀特征的分析简化为二维平面应变问题；2）本文重点针对高地下水位渠道研究考虑地下水位影响的衬砌冻胀破坏问题，地下水补给是主要影响因素，暂不考虑阴阳坡差异；3）渠道基土力学特性符合Winkler假设[27-28]，即特定地区特定气象、水分、土质条件下，衬砌各点对应基土冻胀强度由其至地下水位的距离决定；4）计算均以坡板为例，这是因为渠道底板各点至地下水位的距离相同，冻胀力均匀分布，与已有文献[3-4]一致，故不再赘述。

1.1 梯形渠道基土冻胀强度沿断面分布规律

大量文献和试验研究表明[11-19]，土体冻胀强度（即冻胀率）与地下水位之间呈负指数关系。

式中η(z)为冻胀强度，%；z为计算点至地下水位的距离，cm；a、b为与特定地区特定气象、水分、土质条件有关的经验系数，常根据试验数据由最小二乘法拟合。以甘肃省水利厅在张掖试验场的试验为例[18]，土质为壤土时，a可取60.05，b可取0.0146。

把式（1）应用于梯形衬砌渠道，在特定地区的特定气象、水分、土质条件下，系数a、b为定值，可得反映冻胀强度不均匀分布的计算公式如下

式中x为计算点沿坡面至坡顶的距离，cm；η(x)为各点基土冻胀强度，%；z(x)为各点至地下水位的距离，cm。

1.2 梯形渠道基土冻结深度沿断面分布规律

根据相关专著和规范[16,29-30]，至地下水位的距离为z时的土体冻结深度H(z)可由式（3）计算。

式中H(z)为冻结深度，cm；H0为标准冻深，cm；φ1为土质影响系数；φ2为考虑地域差异（如具体地点的经度、纬度和海拔等）的影响系数；φ3(z)为与计算点的地下水位z有关的影响系数。φ3(z)由式（4）计算。

式中α为与土质有关的经验系数，β为与地下水埋深（至渠顶）有关的经验系数。式（3）、式（4）中各影响系数可参照相关专著和规范取值[16,29-30]。

目前寒区工程抗冻设计在计算冻深时仅按邻近气象站地下水埋深考虑地下水的影响。在渠道工程中也沿用该方法，而在后文的分析中将指出，对地下水深埋的渠道该法的计算结果较准确，而对高地下水位渠道将产生较大偏差。

在特定地区的特定气象、水分、土质条件下，衬砌各点基土冻结深度仅与各点的地下水位有关，即式中各影响系数沿断面分布为定值。结合式（3）、式（4）可得基土冻结深度沿断面的分布规律如下

式中H(x)为断面各点基土冻结深度，cm。

2 高地下水位梯形渠道衬砌法向冻胀力分布和破坏类型

2.1 衬砌结构法向冻胀力沿断面分布规律

渠道衬砌发生冻胀位移的同时会一定程度上释放作用在板上的冻胀力，其削减程度与冻胀位移的大小有关。为简化计算，本文假定自由冻胀量Δh(x)完全约束，暂不考虑冻胀力削减，这是偏安全的。自由冻胀量Δh(x)（cm）由式（6）计算。

由木下诚一提出的冻胀力与冻胀率的线性函数关系[16-17,31]，结合式（2），可得衬砌所受法向冻胀力沿断面的分布规律如下

式中q(x)为衬砌所受法向冻胀力分布，MPa；Ef为冻土弹性模量，MPa。式（7）具有通用性，对不同断面型式的渠道，适当建立坐标系后把断面上各点至地下水位的距离函数z(x)代入即可。仅考虑梯形渠道，视坡板为简支梁[3-5]（图1），坡顶受渠基土的法向冻结约束，坡脚则还与底板互相约束。由几何关系有式（8）成立。

式中z0为渠道顶部至地下水位的距离，cm；θ为渠道坡板的倾角（图3）。把式（8）代入式（7），得梯形渠道坡板法向冻胀力分布如下

图1 渠道坡板受力的计算简图Fig.1 Calculating diagram of force situation of canal slope lining plate

2.2 衬砌结构冻胀破坏特征和截面内力

结合笔者对塔里木灌区渠道冻胀破坏状况的调查发现[32]，局部弯矩过大导致结构轴向拉裂、鼓胀或两者共同作用导致衬砌板的折断，是灌区渠道衬砌冻胀破坏的主要类型（图2）。由此可知，对此类高地下水位地区，衬砌截面弯矩计算尤为重要。

图2 局部弯矩过大导致的衬砌板冻胀破坏Fig.2 Frost heave damage of lining caused by large moment

通常衬砌某一截面发生破坏即意味着整块板的冻胀破坏。因此，冻胀破坏验算应首先分析弯矩沿断面的分布规律，进而确定危险截面，并计算出最大弯矩。结合图1，由材料力学方法计算渠道坡板各截面弯矩并化简得其沿断面的分布规律如式（10）所示。

式中f(bh)=(ebh−1)/(bh)、f(xbsinθ)=(exbsinθ−1)/(xbsinθ)，下同；k1=(l·Ef)/(b·h)；h为渠道深度，cm；M(x)为截面弯矩，kN·m。考虑到h=l·sinθ，有M(0)=M(l)=0，这与假设坡板为简支梁及已有文献结果一致[3]。式中受特定地区特定土质条件影响的经验系数a、b及冻土弹性模量Ef反映了基土力学特性对截面弯矩的影响。

由式（10）可知M(x)为连续函数，故其沿断面分布必然存在最大值。由数学分析方法，可得最大弯矩作用截面（即最易破坏截面）xmax为

式中P(x)为截面剪力，MPa。

地下水位是本文考虑的主要因素，故暂不考虑阴阳坡差异。事实上，上述公式都针对单块坡板进行计算，只需由阴、阳坡太阳辐射差异导致的冻土层冬季最低温度不同，适当调整相关参数（如冻土弹性模量等）就可分别应用于阴坡和阳坡的计算。

3 高地下水位梯形渠道冻胀不均匀性分析

渠道衬砌所受冻胀力的分布特征反映其冻胀适应性的好坏，通常冻胀力分布越均匀，变化趋势越平缓，表明冻胀适应性越好。以下从整体、局部2个方面对高地下水位梯形渠道衬砌冻胀力分布的不均匀性即冻胀适应性进行分析。

3.1 整体冻胀受力不均匀性

均方差S(x)通常用来衡量渠道衬砌冻胀力分布的不均匀性。S(x)越小从而衬砌各点冻胀力相对平均值的偏离程度越小，表明冻胀力分布越均匀。由式（9）可知，渠道坡板所受冻胀力的平均值即冻胀力分布的数学期望E[q(x)]可由式（14）计算。

可见渠深h越大，地下水埋深z0越小，渠道坡板所受平均冻胀力越大，即整体冻胀强度越大。由上式，衬砌冻胀力分布的均方差可由式（15）表示。

为便于分析，把上式根据泰勒级数展开并略去高阶项后简化，得式（16）。

可见对地下水埋深z0固定的特定地区，渠深h越浅，均方差越小，渠道衬砌所受冻胀力整体分布越均匀。

3.2 局部冻胀受力不均匀性

渠道坡板上两点间冻胀力（或冻胀量）的差值U可用于衡量冻胀力局部的不均匀性，由式（17）计算

式（17）中令Δx→0，可得渠道坡板某一特定点的冻胀不均匀性，可由式（18）计算。

对于z0固定的特定地区，坡板倾角θ越小即开口越宽，dq/dx越小，冻胀力随x的变化趋势越平缓。以上分析结果表明，渠深h越浅，渠道开口越宽（坡板倾角θ越小），衬砌所受冻胀力分布越均匀，变化趋势越平缓，越不易受冻胀破坏，这正是工程实践中宽浅式梯形渠道抗冻性能良好的原因。

如果考虑h→0 cm且θ→0的极端情况，渠道坡板退化为两端无约束的有限长平直梁，法向冻胀力分布的均方差为0，分布均匀且无内力产生，显然不会发生冻胀破坏，与事实相符。此外，不仅新疆塔里木灌区，近年来对陕西石堡川、宝鸡峡和泾恵渠等灌区渠道冻胀破坏状况的调查结果也表明，宽浅式衬砌渠道的确具有良好的冻胀适应性能。

需要指出的是，由于实际工程设计中衬砌渠道断面型式需满足一定的设计要求（如渠道边坡稳定、断面设计流量和工程造价等），从而h和θ的取值是受约束的，其最优取值是一个多目标非线性的约束优化问题，这为综合考虑经济性和抗冻性的寒区衬砌渠道断面优化设计提供了参考。

4 原型渠道计算与结果分析

4.1 原型渠道概况

以新疆塔里木灌区某梯形渠道为原型（图3，因对称性仅绘制一侧），C20混凝土衬砌，笔者于2010年－2011年越冬期进行了原型观测。冻深采用温度剖面法即分层布设热电偶测量温度剖面，以0 ℃位置为冻深。冻土层冬季最低温度约−12 ℃，板厚为8 cm，地下水埋深z0为3 m，土质为壤土。

图3 原型渠道尺寸与观测点Fig.3 Cross-section dimension and observation points of trapezoidal canal

分别假定地下水埋深z0为2、2.5、3、3.5和4 m，对不同地下水埋深时梯形渠道的冻胀特征和受力进行分析。

4.2 渠道基土冻深沿断面的分布规律

依据文献确定系数[16,29-30]：标准冻结深度取80 cm；渠基土质为壤土，φ1可取1.2；考虑渠道走向和宽深比的修正后，φ2可取1.06；土质为壤土时α取0.79，且当z0≤3 m时取β=z0，当z0>3 m时取β=3。综上由式（5）可对不同地下水埋深z0时的渠道基土冻深沿渠坡的分布规律进行计算（图4）。

图4 不同地下水埋深时渠坡冻结深度分布图Fig.4 Distribution of frozen depth of canal slope with different groundwater tables

如图4，渠顶受地下水影响较小，不同地下水埋深z0时该处冻深相差不大，而在渠坡中下部，z0对各点冻深有显著影响。对z0固定的特定渠道，渠坡各点冻深存在明显横向差异，且随z0增大，差异减小且逐渐趋于一致，即地下水埋深z0越大，其对渠道基土冻结过程的影响越不显著，这与事实相符。由此可见，对高地下水位渠道如仅按邻近气象台地下水位（相当于渠顶地下水位）计算冻深，将与实际产生较大的偏差，而当地下水深埋时偏差不显著。

4.3 法向冻胀力沿断面的分布规律

为确定式（9）中各参数，条件具备时应通过现场试验获取数据并由最小二乘法拟合。本文由文献确定参数：Ef按冻土层在冬季最低温度时的冻土弹性模量取为3.82 MPa[16]，这是偏安全的；土质为壤土时[2,13,16]，a可取44.33，b可取0.011。综上由式（9）可对不同地下水埋深z0时的渠道基土冻结深度沿渠坡的分布规律进行计算（图5）。

图5 不同地下水埋深时渠坡法向冻胀力分布图Fig.5 Distribution of normal frost heave force of canal slope with different groundwater table

如图5，地下水埋深z0越小，衬砌整体受力越大，且分布的横向差异越显著；当z0越大，各点冻胀力变化趋于平缓。对于z0固定的特定渠道，法向冻胀力沿坡板呈指数规律增长，且距地下水位越近时趋于线性规律，这种冻胀力趋于线性分布的现象，在土体分散性越强时表现得越明显[16-18]。实际上，把式（9）按泰勒级数展开取一级近似，即得冻胀力分布的线性分布规律，这也与文献[3-4]中由工程实践经验预先假定的冻胀力分布规律相一致。

4.4 截面弯矩沿断面的分布规律与最大弯矩

由式（10）可对衬砌截面弯矩沿渠坡的分布规律进行计算（图6）。由图6可知，不同地下水埋深z0对截面弯矩变化的总体趋势影响较小，但对截面弯矩大小尤其是最大弯矩的量值影响显著。随着地下水埋深越浅，截面最大弯矩迅速增大。为由式（12）可知，对于特定断面的梯形渠道，最大弯矩随地下水埋深z0越小，呈指数规律增大，即寒区高地下水位渠道极易遭受冻胀破坏，与事实相符。

图6 不同地下水埋深时渠坡截面弯矩分布图Fig.6 Distribution of section bending moment of canal slope with different groundwater table

4.5 原型渠道验证与误差分析

如图3所示，在实际地下水埋深时（即z0=3 m），各观测点基土冻深计算值与观测值基本相符，表明方法的合理性。在对基土做分层级配分析时，发现土层中夹杂部分砂土、砂壤土层，而本文均按壤土层进行参数选取和计算，导致了一定误差（即计算值相对观测值普遍偏小），但误差不显著，本文方法的计算值与观测值之间的最大相对误差为3.5%。

结合式（11），可对渠道衬砌最易拉裂、鼓胀和折断的部位即最大弯矩截面进行估算。

将相关参数取值和原型断面尺寸代入式（19），得xmax/l约为63.9%。调查表明灌区渠道坡板的冻胀破坏多发生在中下部距离坡顶约60%～80%坡板长处，少量发生上半部，计算结果与工程实际相符。

由于冻土物理力学性质和水分迁移、相变的复杂性，目前尚缺乏完备的室内模型试验数据可供验证，笔者结合塔里木灌区渠道冻胀破坏情况的实地调查及灌区某梯形渠道的原型观测，对部分计算结果进行对比验证，结果与原型观测基本相符，表明本文方法具有一定的实用性和合理性。更深入系统地分析和验证还有待进一步研究。

5 高地下水位梯形渠道衬砌的冻害机理

有研究表明[33-34]，土体冻结较慢且水分来源充足时，将引发剧烈冻胀。在中国广大季节性冻土区，冬季漫长而气温下降缓慢，渠道基土冻结速率也较慢，水分有充足的时间迁移和补给；同时高地下水位渠道地下水埋深浅，又正好为冻结过程提供了充足的水分来源。充足的水分迁移时间和补给来源是高地下水位渠道衬砌冻胀破坏的主要原因之一。

由于渠道特殊的断面特性，衬砌各点至地下水位的距离不同导致地下水补给强度沿断面不均匀分布，引起基土冻胀强度和冻结深度沿断面的横向差异，进而导致衬砌所受冻胀力和冻胀变形沿断面的不均匀分布。渠道衬砌冻胀力分布不均匀是高地下水位渠道衬砌冻胀破坏的另一个主要原因。图7简要概括了高地下水位梯形渠道的冻害机理。

图7 高地下水位梯形渠道衬砌冻害机理Fig.7 Mechanism of frost heave damage of trapezoidal canal with high groundwater table

6 结论和讨论

1）该文提出一种考虑地下水位影响的梯形渠道衬砌冻胀力分布计算方法，推导出地下水位影响的渠道基土冻胀强度和冻结深度不均匀分布的计算公式，并得到截面最大弯矩和最易破坏截面位置的解析表达式。

2）从整体与局部2个方面定量分析梯形渠道衬砌冻胀力分布的不均匀性，为渠道的抗冻性能评价和断面优化提供了定量指标。分析指出，渠深越浅，坡板倾角越小，冻胀力分布越均匀，变化趋势越平缓，即越不易发生冻胀破坏，这正是宽浅式梯形渠道抗冻性能良好的主要原因，与实际相符。

3）以塔里木灌区某梯形渠道为原型，对不同地下水埋深的渠道冻胀特征和受力进行了分析，并与观测资料进行对比，其中基土冻深的计算值与观测值之间的最大相对误差为3.5%，估算最大弯矩截面的位置为距离坡顶63.9%坡板长处，与灌区实地调查结果基本相符，表明了方法的实用性和合理性。此外，分析结果还表明，地下水埋深对高地下水位衬砌渠道的冻胀特征和受力有显著影响，地下水埋深越小渠坡衬砌冻胀力越趋于线性分布，截面最大弯矩则随地下水埋深越小呈指数规律增大。由此可见，高地下水位渠道极易产生严重冻胀破坏。

本文假设自由冻胀量被完全约束，暂不考虑衬砌冻胀位移引起的冻胀力削减效应（这是偏安全的），如需考虑衬砌与冻土间的动态相互作用及由此引起的冻胀力削减效应，可采用弹性地基梁理论进行渠道冻胀破坏分析，仍有待进一步的研究。

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Mechanical analysis on frost heave damage of cast-in-place concrete trapezoidal canal considering influence of groundwater table

Xiao Min1, Wang Zhengzhong1,2※, Liu Quanhong1, Wang Yi1, Ge Jianrui1
(1. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 2. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Cold and Arid Region Environmental and Engineering Research Institue, CAS, Lanzhou 730000, China)

Groundwater migration and supply is the main influence factor causing frost heave damage of concrete lining trapezoidal canals with high groundwater table. Considering the influence of groundwater table on frost heave of canal foundation soil, the article puts forward a method to calculate the distribution of frost heave force acting on concrete trapezoidal canal lining, presents the design formulas to calculate the distribution of frost heave intensity and frozen depth of canal foundation soil, and then proposes the analytical expression to determine the maximum bending moment of cast-in-place concrete trapezoidal canal lining and the position on canal lining plate which is the easiest to crack. The inhomogeneity of distribution of frost heave force is quantitatively analyzed both locally and integrally, and a new indicator to judge frost heave resistance of canal lining and a method for cross-section pattern optimization are provided. For specific region with fixed groundwater table, the smaller the canal cross-section depth, the more homogeneous the distribution of frost heave force integrally. For specific region with fixed groundwater table from canal top, the smaller the inclination of canal slope plate, the smoother the variation tendency of frost heave force locally. In a word, when the canal cross-section depth is shallower and the inclination of canal slope lining plate is smaller, the distribution of frost heave force is more homogeneous, and the canal lining is harder to be damaged by frost heave force, therefore revealing the reason that the frost heave resistance of trapezoidal canal with wide and shallow cross-section is favorable. By taking a trapezoidal concrete lining canal in Tarim irrigation area as prototype, the frost heave characteristics of canal lining are analyzed, as well as the distribution of frost heave force acting on trapezoidal canal lining with different groundwater table, and the rationality of the method is confirmed by comparing the calculated value with the measured value. The results of comparison show that the maximum relative error of frozen depth of canal foundation soil is 3.5%, and the position of the section undergoing the maximum bending moment estimated is 63.9% of the length of canal slope lining plate from canal top. In addition, the analysis results also show that different groundwater table remarkably influences frost heave characteristics of canal lining and distribution of frost heave force acting on canal lining with high groundwater table. The tendency of variation of frost heave force becomes more linear when groundwater table is higher and the maximum bending moment on canal slope lining plate increases following exponential law. Therefore, the canal with high groundwater table is extraordinarily easy to suffer serious frost heave damage. Eventually, the mechanism of frost heave damage of trapezoidal canal with high groundwater table is analyzed. Because of long and severe winter in North China, in addition to slowly decreasing of air temperature, frozen rate of canal foundation soil is small, and then soil water has sufficient time to migrate and supply. While groundwater table is shallow, groundwater migration and supply is enough to cause serious frost heave damage to canal lining. On account of specific characteristics of canal cross-section, different distances from each position of canal slope plate to groundwater table result in inhomogeneous distribution of the intensity of groundwater supply, and then cause transverse difference of intensity of frost heave and frozen depth of canal foundation soil, and therefore the distribution of frost heave force and the deformation of canal lining can be inhomogeneous. In fact, inhomogeneous distribution of frost heave force acting on canal lining is also a main reason causing serious frost heave damage to canal lining. The research can provide theoretical basis for relevant study and frost heave resistance design of cast-in-place concrete trapezoidal canal with high groundwater table.

moisture; canals; frozen soils; frost heave; high groundwater level; Tarim irrigation area; frost heave damage mechanism

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.012

S277; TV67

A

1002-6819(2017)-11-0091-07

肖 旻，王正中，刘铨鸿，王 羿，葛建锐. 考虑地下水位影响的现浇混凝土梯形渠道冻胀破坏力学分析[J]. 农业工程学报，2017，33(11)：91－97.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.012 http://www.tcsae.org

Xiao Min, Wang Zhengzhong, Liu Quanhong, Wang Yi, Ge Jianrui. Mechanical analysis on frost heave damage of cast-in-place concrete trapezoidal canal considering influence of groundwater table[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 91－97. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.11.012 http://www.tcsae.org

2016-11-03

2017-05-02

国家自然科学基金（51279168）；国家科技支撑计划（2012BAD10B02）；博士点基金项目（2012020411100254）

肖 旻，男，博士生，主要从事冻土工程及渠道防渗抗冻胀研究。杨凌 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100。

Email：xmhdts@163.com

※通信作者：王正中，男，教授，博士生导师，主要从事水工结构工程及冻土工程学科研究。杨凌 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100。Email：wangzz0910@163.com