我国水资源时空分配极不均衡,北方旱寒区水资源极其匮乏,为解决区域水资源矛盾,十三五期间全国各地长距离调水工程及各大灌区续建配套、节水改造工程正有序推进,其中最主要的输水设施是经济耐久的混凝土衬砌渠道。但在季节性冻土区修建的衬砌渠道冻胀破坏普遍,严重影响输水工程效益,因此,对其进行准确的抗冻胀设计是保证输水工程长期稳定运行的前提。目前渠道抗冻胀设计依照《水工建筑物抗冰冻设计规范》、《渠系工程抗冻胀设计规范》进行,因渠道的尺寸形式、衬砌结构、渠基土质、水分及气候条件多样,加之以往对冻土冻胀机理认识不够全面,衬砌板所受冻胀力无准确的定量计算方法,导致渠道抗冻胀设计大多依赖于工程实践经验和定性认识,缺乏系统、定量的理论指导,具有一定的随意性和盲目性,致使抗冻胀设计结果无法正确指导工程实践,渠道仍受冻胀破坏威胁。目前,渠道冻胀的水热力三场耦合理论及相应有限元模型日益完善,已有大量考虑冻胀破坏各影响因素且满足工程设计精度的数值模型,但因有限元模型的复杂性,导致该方法难以在工程中推广应用。为此,本文从衬砌渠道冻胀破坏机理出发,结合渠道抗冻胀设计相关规范及思想,基于冻土水热力耦合理论及渠道有限元模型,提出了寒区渠道抗冻胀综合优化设计方法,利用多物理场耦合软件COMSOL Application Builder平台开发了寒区衬砌渠道防渗抗冻胀设计系统,并以北疆某渠道的抗冻胀设计为例进行了应用研究,以期为寒区衬砌渠道抗冻胀设计提供准确、快捷的数字化设计系统。本文的主要研究内容及成果如下:(1)基于冻土水热力耦合理论,以COMSOL为平台建立了冻土水热力三场耦合渠道有限元模型,该模型可综合考虑渠基土质、水分条件、衬砌结构、气温及太阳辐射等工程环境,准确计算衬砌受渠基土冻胀作用下的力学响应。(2)在渠道抗冻胀设计中提出了考虑水力、冻胀和经济的综合优化设计方法:依据渠道水力设计方法获得水力最优及实用经济断面尺寸设计集,考虑冻胀破坏各影响因素后,对设计集内断面进行抗冻胀有限元计算,以规范冻胀破坏安全准则为渠道抗冻胀约束,提取满足抗冻胀约束的断面,并对渠道造价进行优选,得到综合优化设计结果;当水力设计集中未有满足抗冻胀约束的断面时,则增设抗冻胀措施,重新计算。(3)渠道综合优化设计方法可能存在多个自由变量,为减少计算成本,引入有约束条件下二次近似优化算法BOBYQA对渠道进行造价优化分析,以单位长度渠道造价为目标函数,以渠道断面、衬砌和抗冻胀措施的特征参数为自变量,以规范中水力和抗冻胀安全准则为约束条件,建立了寒区衬砌渠道造价优选模型。(4)结合寒区渠道综合优化设计方法,开发了寒区衬砌渠道防渗抗冻胀设计系统。该系统使用COMSOL Application Builder平台封装有限元计算模块并开发软件交互界面,使用该平台提供的Java二次开发接口,以模块化理念对系统进行设计与开发。北疆某渠道抗冻胀设计结果表明:系统全局直接计算法和BOBYQA优化算法两种运行模式所得计算结果均合理、可靠。未采取保温板抗冻胀措施时,系统使用全局直接计算法求解,所得温度场结果与工程实际一致,衬砌的法向冻胀量和应力计算结果均符合冻胀破坏的一般规律;采取衬砌下铺设保温板抗冻胀措施时,计算域过大,系统使用BOBYQA优化算法求解,经37次迭代计算后,获得最优设计参数:边坡系数m为1.2,实佳比α为1.01,保温板厚度为7cm,在此参数下各约束情况为:断面平均流速v为2m/s,衬砌最大法向冻胀量为0.6cm,衬砌上、下表面最危险正应力分别为-1.19MPa、0.82MPa,单位长度渠道造价为2047元。与全局直接计算法相比,计算效率提升约12倍,设计结果准确、合理,设计精度满足工程要求。该系统是集水力、抗冻胀设计、成本分析优选和内力结果显示为一体的数字化设计系统,克服了现行抗冻胀规范经验性设计方法的盲目性与复杂性,可高效率地辅助设计人员进行渠道设计,为我国北方寒区渠道新建、改建和扩建抗冻胀设计提供参考。