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水 利 学 报

2021 年 5 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 5 期

文章编号：0559-9350（2021）05-0589-14

考虑太阳辐射的寒区衬砌渠道水-热-力耦合冻胀模型与应用

江浩源 ，王正中 ，刘铨鸿 ，王 羿 ，谭志翔 ，孟晓栋 1
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（1. 西北农林科技大学 旱区寒区水工程安全研究中心 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；
2. 西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000）
摘要：寒区渠道走向导致的太阳光遮蔽产生了阴阳坡效应，引起了渠道水、热、变形的非对称分布。为探明其对
渠道冻胀破坏的影响规律，本文提出了渠道阴影计算方法，采用 HOTTEL 晴空辐射模型，基于辐射度算法建立了
考虑太阳辐射时空变化的渠道热辐射边界方程，并结合冻土水-热-力耦合理论构建了“环境-冻土-工程”相互作
用的耦合冻胀模型。基于寒区“E-W”走向大型输水渠道现场监测数据验证了该模型的准确性，并系统分析了渠道
温度场、水分场及变形场的耦合作用及发展变化的不对称、不同步规律。仿真结果表明：太阳辐射和阴坡遮蔽导
致阴阳坡热边界差异显著，其日均温差最大为 3.5 ℃，阴坡早于阳坡 15 d 冻结，晚于阳坡 1 d 融化，冻深最大差值
为 31 cm；冻结期内阴坡冰含量明显高于阳坡，而融化期阳坡冰融化较快，水分场呈条带状分布；坡板和底板最
大冻胀变形分别发生在 1/4 ~ 1/3 坡长处和偏阳坡处，阴阳坡冻胀变形差值最大为 4.0 cm。上述不对称、不同步冻
结特征的宏观表现均是由阴阳坡太阳辐射的空间效应和昼夜温差的时间效应引起的温度梯度和冻结速率差异所
致，就此给出了冻胀数值模拟热边界合理选取的建议，为寒旱区大型渠道防冻胀设计、复核及修复提供理论依
据。
关键词：寒区渠道；太阳辐射；冻土水-热-力耦合；不对称发展；热边界；冻结速率
中图分类号：TV672 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200617

1 研究背景

我国水资源时空分布不均，南涝北旱、南暖北寒现象普遍，北方寒旱区的灌区及引调水工程建
［1］
设是保障旱区农业用水及安全饮水的生命线工程 。作为主要输水方式的渠道工程在温-水-土-结构
［2］
等渗-冻互馈机制作用下 ，常发生鼓胀、断裂、脱空、失稳滑塌等破坏 ［3-5］ ，严重影响了渠道的正常
输水功能及效益发挥。
太阳辐射是地表热量的主要来源，是影响渠道温度场的重要因素。因渠道走向、结构型式、所
处位置等原因，使渠道阴阳坡受到的太阳辐射不同，引起了渠道横向温度场的非对称分布，产生
［9］
了不稳定的冻融状态 ［6-8］ 。经调查，陕西冯家山水库总干退水渠 、新疆阜康灌区 ［10-11］ 及山东打渔张
灌区 ［12］ 等部分东西走向渠段均存在显著的阴阳坡效应，阴阳坡冻深及冻胀变形差异明显。太阳辐射
是冻融循环的前提基础，是引发渠道水分迁移、冰水相变等水-热-力耦合冻胀破坏的内在驱动力。
太阳辐射导致冻结特征的不对称、不同步变化是渠道冻胀破坏的重要原因 ［7-8］ ，探明其变化规律对了
解渠道冻胀破坏的机理具有重要意义。
［6］
季节性冻土区衬砌渠道的阴阳坡效应研究较少，王正中等 ［7-8］ 、安元等 分别将太阳辐射简化为

收稿日期：2020-08-08；网络首发时间：2021-01-13
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210112.1334.004.html
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基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC0405103）；国家自然科学基金项目（51279168）；冻土工程国家重点实验室开放
基金项目（SKLFSE201801）
作者简介：江浩源（1992-），博士生，主要从事旱区寒区水工程安全研究。E-mail：724263751@qq.com
通讯作者：王正中（1963-），教授，主要从事旱区寒区水工程安全研究。E-mail：wangzz0910@163.com
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