我国西部寒冷干旱地区,气候条件独特,随着外界气温的变化,水流中的冰情可以根据冰的形成与消融过程分为:结冰期、封冻期和解冻期3个阶段。输水工程在冬季输水时,冰在各个阶段对输水建筑物会造成不同程度的迫害。我国为了缓解西部的缺水的问题,先后建设了引大入秦工程、引洮工程等。然而如此庞大的投资建设,在运营期因遭受寒旱气候的影响,形成了诸如引水隧洞冻融破坏、引水隧洞地质缺陷渗漏、引水渠道干裂渗漏、设备故障等一系列问题,对结构安全性与供水效率产生严重影响,导致工程的使用年限不长,达不到工程规划建设的预期目标,产生社会矛盾。因此基于寒旱地区冬季输水对引水隧洞的破坏机理研究具有重要的意义。本文针对寒旱地区冰害对引水隧洞的破坏为研究对象,在国内外研究基础上,通过理论研究、室内试验研究及数值模拟方法开展研究。重点研究了冰排与引水隧洞相互作用下的碰撞模拟问题,利用接触-碰撞算法的有限元中对称罚函数算法,进行了冰排撞击引水隧洞的接触-碰撞算法的理论研究。以引大入秦输水枢纽的引水隧洞(盘道岭隧洞)为实例,分析了隧洞的破坏机理。应用ANSYS软件建立隧洞模型和冰排模型,二者皆采用3D Solid164实体单元模拟,材料定义为线弹性材料,单元划分采用映射网格划分;采用单面自动接触;定义了边界条件;然后选用LS-DYNA SOLVER求解器进行求解;采用LS-PREPOST软件进行后处理,发现了不同冰排流速、不同冰排平面尺寸、不同冰排厚度等不同工况下冰排对引水隧洞撞击力及其产生的变形的影响。具体工作如下:(1)分析了冰排流速对隧洞衬砌撞击力及衬砌变形的影响规律,发现其变化基本呈线性关系,并分别确定了简单碰撞状态下的计算公式;(2)分析了冰排平面尺寸对隧洞衬砌撞击力及衬砌变形的影响规律,发现其变化关系均为非线性关系;(3)分析了冰排厚度对隧洞衬砌撞击力及衬砌变形的影响规律,发现其变化基本呈线性关系,并分别确定了简单碰撞状态下的计算公式。接着通过室内试验,建立冰排撞击隧洞衬砌试验单边坡实验装置,进行试验研究;模拟了隧洞中流冰碰撞隧洞衬砌的全演变过程,分析了冰排流速、冰排平面尺寸、冰排厚度等不同工况下冰排对隧洞的撞击力规律,通过试验模型验证了与数值模拟的基本吻合性。说明了数值模拟是方便可行的。本文的研究将对寒旱地区引水隧洞设计、施工及运营维护提供科学依据和技术支撑,丰富冰水力学基础科学研究内涵。