高地下水水位冻土区梯形渠道衬砌冻胀破坏断裂力学模型

来源：水资源与水工程学报杂志2024年第5期北京时间：

作者：吴浪，肖旻，席琛，崔浩，杨晓松，葛建锐

单位：1.江西科技师范大学土木工程学院,2.江西科技师范大学江西省科协智库防灾减灾工程技术研究基地,3.塔里木大学水利与建筑工程学院,4.兰州理工大学能源与动力工程学院

摘要：冻胀荷载作用下初始裂纹的形成、扩展导致衬砌结构的断裂是寒区衬砌渠道冻害的主要原因之一。在已有研究基础上，综合考虑地下水水位影响的梯形渠道冻胀力学分析方法及线弹性断裂力学理论，提出高地下水水位梯形渠道冻胀断裂力学分析框架。该模型将衬砌结构表面初始裂纹的失稳扩展及开裂破坏简化为Ⅰ型断裂力学问题，并提出应力强度因子与危险截面位置的计算方法。以塔里木灌区某梯形渠道为原型分析地下水埋深w对衬砌各截面应力强度因子KFⅠ(x)及合理板厚dr的影响规律。结果表明：地下水补给条件对KFⅠ(x)的大小影响显著；当w减小时，KFⅠ(x)呈非线性增大，此时渠道冻害风险也增大，与事实相符。地下水埋深越浅，保证结构安全所需衬砌板的合理厚度dr越大；当地下水埋深为3.0 m时，建议使用的合理板厚为9.0 cm。研究结果可为寒区渠道的抗冻胀设计提供科学依据。

关键词：梯形渠道,冻土,冻胀,断裂力学模型,高地下水位,非线性分布

基金资助：国家重点研发计划“水资源高效开放利用”重点专项（2017YFC0405100）；新疆生产建设兵团一师横向项目（SWJ2022KT23）；国家自然科学基金项目（51641903、51869029）；江西省教育厅科技项目（GJJ190621）；江西科技师范大学博士科研启动基金项目（2019BSQD11）