季冻区土壤水分在负温梯度作用下,发生迁移、相变,土体体积膨胀致使渠道衬砌在不均匀冻胀作用下发生开裂、上抬和变形等冻胀破坏,严重影响工程正常运行,造成灌溉水的浪费。研究渠道冻胀破坏机制和特征,提出有效抗冻胀措施,对渠道设计选型以及灌区节水灌溉发展具有实际意义。针对季冻区整体式U形渠道的水-热-力耦合过程和冻胀破坏特征研究不足的问题,基于冻胀理论与冻胀耦合模型理论,构建了整体式U形渠道冻胀力学模型,通过室内土柱单向冻结实验验证水-热-力耦合模型;利用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟原型渠道的冻胀过程,综合考虑冻胀破坏影响因素,优选倾角断面,提出合理施工建议,得到主要结论如下:(1)建立整体式U形渠道冻胀破坏力学模型,在衬砌达到极限破坏状态下,经结构计算、内力计算和混凝土板抗裂验算,反算得到衬砌极限切向冻结切应力,提出极限切向冻结切应力-倾角计算公式,联立切向冻结力经验公式,根据渠基土土质、混凝土衬砌强度和厚度计算渠道极限抗冻胀倾角。该方法简化了抗冻胀倾角求解过程,计算方便。(2)建立水-热-力三场耦合模型,通过土壤冻结实验实验进行率定和验证,得到内蒙古河套亚黏土的冻结温度,以及冻结状态下温度场和水分场分布。水-热-力耦合模型模拟与实验结果基本一致;通过Nash系数对模型模拟质量进行评价,模型误差小,可信度高。(3)以河套灌区D80整体U形渠道为例,模拟了在一个冻融期的变化情况。渠道阴坡、阳坡和渠底最大冻深分别为1.2m、0.8m和0.5m;土壤水分在负温作用下向上迁移相变,主要聚集在阴坡衬砌弧板处,含冰量最大值为0.33;衬砌整体向上抬升,形变和应力不断增加;阴坡衬砌形变量大于阳坡,具有倾倒趋势;阴坡衬砌的直板与弧板衔接处应力最大,易发生冻胀破坏。(4)考虑土质、衬砌性质和地下水埋深3种影响因素,模拟了其对0°、10°、20°和30°倾角断面的影响。粉土基土相比亚黏土基土,渠道衬砌应力和冻胀量更大;混凝土衬砌等级和厚度越大,渠道抗冻胀性越强;地下水埋深浅,最大应力位于直板与弧板衔接处,地下水埋深较浅,最大应力位于渠底和直板与弧板衔接处,地下水埋深较深,最大应力位于渠底。综合考虑混凝土抗裂应力标准、输水能力和占地面积,河套灌区厚8cm的C20混凝土衬砌U形渠道,亚黏土基土时合理倾角为13～23°,粉土基土时合理倾角为17～28°。考虑渠道工程自然条件的复杂性,结合渠道衬砌冻胀破坏特征、位置以及土壤冰含量分布,提出应用土壤置换、保温板和垫层等工程措施,提升渠道工程的抗冻胀效果。