宁夏位于季节冻土区,气候严寒,因冻胀导致渠道衬砌结构均有不同程度的破坏,因此开展季节性冻土区混凝土衬砌渠道的冻胀破坏原型试验具有重要意义。本文以宁夏引黄灌区内小型U形混凝土衬砌渠道为研究对象,在2017-2018年度布设两拼式和多拼式渠道传统板缝结构和消除板缝影响的无板缝结构的对比试验,通过比较两种结构的法向冻胀力、冻胀量的大小及分布特征,同时分析渠道各部位剩余冻胀量以及最大冻胀位移与冻胀力、地温和含水率之间的关系,探究季节冻土区小型U形混凝土衬砌结构板缝对渠道冻胀变形的影响;在渠道冻胀机理、冻胀破坏特征和抗拉冻结强度影响因素分析的基础上,提出两拼式渠道传统板缝结构的法向冻结力为沿弧板呈三角形分布的荷载,在渠顶为零,渠底达到最大值,并推导出渠道任意截面切向冻结力大小的计算公式,通过合理简化及假设,建立了两拼U形混凝土衬砌渠道的冻胀破坏力学模型,不仅能计算出弧板内力、最大弯矩作用点,而且可以计算出渠道所受最大法向冻胀力和最大法向冻结力,最终通过算例及原位试验监测数据验证力学模型的合理性,具体研究结果如下:(1)小型U形混凝土衬砌渠道在板缝处的冻胀位移差较大,渠道在此处也更容易发生冻胀破坏,试验现场观测发现,衬砌板裂缝主要由板缝破坏而产生。(2)在渠道衬砌结构土壤含水率和温度相近情况下,消除板缝影响的两拼式和多拼式U形混凝土衬砌结构在完整冻融期内分别占比100%、73%的冻胀力小于传统板缝结构,且加固板缝对减小距渠底三分之一处衬砌板容易产生裂缝位置的冻胀力尤为显著,除此之外,消除板缝影响后两种断面形式渠道的法向冻胀力分布也更均匀。(3)在渠道结构土壤含水率和温度相近情况下,两拼式U形混凝土衬砌渠道无板缝结构在完整冻融期内横、纵向冻胀位移差均小于传统板缝结构,多拼式U形混凝土衬砌渠道分别占比63%、60%的板缝横、纵向冻胀位移差小于传统板缝结构,表明板缝越多越不利于渠道的抗冻胀变形。(4)小型U形混凝土衬砌渠道渠坡、坡脚和渠底处冻胀位移均与冻胀力呈正相关关系,与地温、含水率呈负相关关系。板缝加固可减小地温、含水率对渠道冻胀变形的影响,其中两拼式渠道板缝加固后渠道各部位抗冻胀变形效果依次为:渠底>坡脚>渠坡,多拼式渠道板缝加固后渠道各部位抗冻胀变形效果依次为:坡脚>渠坡,但不利于渠底的抗冻胀变形。(5)两拼式U形混凝土衬砌渠道传统板缝结构的法向冻结力可近似看作沿弧板呈三角形分布的荷载,在渠顶为零,渠底达到最大值,推导出两拼式渠道任意截面切向冻结力的计算公式,在此基础上,建立了两拼U形混凝土衬砌渠道传统板缝结构的冻胀破坏力学模型,并通过与已知模型对比和试验分析,表明所建力学模型更符合工程实际,计算更为简便合理。