地处季节性冻土区的景电工程干渠由于建造年代久远、运行历时较长且无有效的防冻胀措施发生了强烈的冻融及渗漏破坏,造成了渠道输水效率低下,运行状态堪忧。开展景电干渠的典型断面防冻胀技术研究,对景电二期工程的渠系更新改造具有重要的理论与实践价值。本文结合景泰川灌区的自然地理及气候条件、渠基土性、地下水位,以及渠道冻胀融沉破坏现状的详细调查,依据渠基土冻胀的水热力三场耦合理论对衬砌结构换填及断面优化的防冻胀技术进行仿真分析及原型监测,研究工作及成果如下:(1)建立了景电干渠考虑地下水位影响的冻胀数值仿真模型。景泰川灌区内地下水位较高,对渠道的冻胀影响显著。将地下水位高度与冻胀率的经验关系公式加入到本构方程,即将渠道基土的本构方程的应变考虑为初始应变与渠基土因冻胀而引起的应变之和;在热传导方程中还考虑了迁移水分的相变潜热。应用甘肃省靖会渠道的冻胀原型观测成果验证冻胀模型的合理性与适用性。(2)应用本文模型对换填结构的混凝土衬砌渠道进行了冻胀模拟分析,并与未换填的混凝土衬砌渠道进行比较,提出了防冻胀换填层的合理方案。分析结果表明:换填后的渠道能够大大减小渠基土所产生的冻胀位移,改善应力场的分布、并降低了坡脚处的最大应力,能够有效的防止混凝土衬砌渠道冻害破坏的发生。(3)以衬砌板上表面最大拉应力最小为目标,考虑水力最优及抗冻胀最优,建立双优断面优化模型并求解;对梯形混凝土衬砌渠道的断面尺寸进行了优化的研究。结果表明:断面面积一定时,梯形渠道水力及抗冻胀双优的断面边坡系数应大于1.5;断面面积变化时,断面越大冻胀破坏越严重,梯形渠道水力及抗冻胀双优断面的边坡系数范围为3.0~3.5。结合实用经济断面,在占地允许条件下给出了宽浅式梯形渠道水力、经济及抗冻胀三优的断面面积比α为1.02、边坡系数范围为3.0~3.5,相应宽深比的范围为2.860~3.175,其上限是最优解。该成果为寒区现浇混凝土衬砌渠道断面优化设计提供参考依据。(4)为了检验景电灌区渠道冻胀模型的正确性,在高地下水位区的渠道断面采用块石换填基础更新改造并设置原型监测,对地下水位、冻胀位移、基土温度及水分等进行冻胀现场监测。目前采集到1月至5月的数据表明:靠近农田的阳坡侧灌溉回水影响,阳坡基土含水率高于阴坡;阳坡温度高于阴坡;阴坡融沉量大于阳坡,符合实际。