北方旱寒灌区衬砌渠道冻胀破坏普遍严重，导致输水损失近50%、维修费用高，影响运行及效益，成为农田水利工程建设中的老大难问题。衬砌渠道冻胀破坏是基土冻结过程中水热力三场变化和冻土与衬砌结构相互作用的结果。以往基于冻土三场耦合理论的渠道冻胀研究，仅将砼衬砌简化为荷载施加于渠基土上，没有考虑衬砌结构与渠基冻土的相互作用，而考虑冻土与衬砌相互作用的渠道衬砌冻胀破坏研究没有考虑三场耦合作用。这不仅无法求出作用在衬砌结构上的各种冻胀力及冻结力，也无法反映衬砌结构约束反力及基土冻结三场耦合过程的影响。同时现有的三场耦合模型大多以自编程序实现，鲜有提出适合通用有限元软件的三场耦合求解格式，使得考虑三场耦合理论的渠道冻胀研究难以推广和应用。因此，有必要建立适合通用有限元平台的基于水热力三场耦合砼衬砌渠道冻胀破坏模型，为北方旱寒地区衬砌渠道冻害防治提供科学依据。本文根据冻土物理学、冻土力学、土壤水动力学理论，较系统地进行了砼衬砌渠道水热力三场耦合理论探讨；结合多物理场有限元软件，对冻土三场耦合模型进行深入研究及完善，进一步提出考虑与渠道衬砌结构相互作用的渠道冻胀三场耦合模型。其主要内容如下：（1）基于刚性冰假定和未冻水的不可压缩假定，推导了以Harlan水热耦合模型为基础的冻土水热力耦合模型。（2）为了便于冻土水热力耦合模型求解，应用三次幂Heaviside阶梯函数代替分段函数，有效实现了冻土的冻结锋面前后热力学、水动力学参数的光滑、连续过渡，不但提高求解精度，而且缓解求解相变问题对网格的高要求；通过克拉佩龙方程和Z函数，推导未冻土区、冻结相变剧烈区、冻土区土水势的统一表达式，为顺利在通用有限元平台实现水热力三场耦合提供技术基础。针对所建立的相变温度场模型、水热耦合模型、水热力耦合模型，采用有限元方法进行数值模拟，并将其计算结果与已有试验实测成果进行对比验证。（3）应用本文建立的三场耦合模型对甘肃省靖会总干的砼衬砌渠道进行冻胀数值模拟研究，并与不考虑水分迁移的热力耦合分析进行对比，揭示了水分迁移影响下衬砌渠道冻胀受力及变形规律，为准确分析衬砌渠道冻胀破坏规律提供科学依据。（4）鉴于目前对渠基土换填这种常用的防冻胀措施只有试验研究及经验性成果的现状，由于粗粒土表面能低、水分迁移现象微弱，对渠基土没有换填的部分采用三场耦合模型进行分析，换填部分采用带相变的温度场与应力场的耦合模型分析，利用有限元软件对此措施进行不同换填深度的数值模拟，数值模拟了防冻胀机理，可为渠道常用抗冻胀措施提供科学依据。