Page 93 - 水利学报2021年第52卷第5期

图 5 外界最高、最低温度变化曲线

根据现场实测数据，渠顶和渠底风速近似取 5 m/s 和 1 m/s，并采用二次抛物线函数过渡。
该渠道已修建多年，基土温度基本达到吞吐平衡，因此以年周期平衡温度场作为计算的初始温
度场（11 月 1 日）。根据气象站温度监测值，采用正弦函数拟合温度变化曲线 ［9，19］ ，公式如下：

T = T + Bsin æ 2π t + α ö （31）
amb_ini 0 m 0 ø
è 12
式中： T 为年平均温度，取 6.5 ℃；B 为年温度振幅，取 22.5 ℃； t 为时间，月； α 为相角，取 π 。
0 m 0
选取试验段渠道岸边百叶箱每日温度实测极值 ［10］ ，整理如图 5 所示。日温度变化曲线结合每日极
［6］
值温度采用正弦函数拟合 ，以此作为计算分析的外界温度，公式如下：
]
)
1
∘ 1
T = (T - T ) sin[(t - 9 × 15° + (T + T ) （32）
amb d,max d,min d,max d,min
2 2
［33］
渠基下表面恒温层温度近似取年平均温度 6.5 ℃，距地表深度为 11 m 。
渠道因防渗措施不当，渗漏较为严重，停水后，渠底下 4.6 m 深处土体基本处于饱和状态，水分
场基本稳定。此后按设计水位模拟通水一个月，并在冻结试验开始前一周排干水分，以此作为计算
分析的初始水分场。
因复合土工膜较薄（<3 mm），采用无厚度土工膜渗阻计算，土工膜前区域为混凝土衬砌，膜后区
域为渠基土，质量守恒方程建立如下：
)
(h - h k
-n × (-k Ñh ) = d u b
u u u d
b （33）
)
(h - h k
- n × (-k Ñh ) = u d b
d d d d
b
式中：下标 b、u、d 分别代表土工膜、膜前和膜后区域；n 为边界外法线矢量；k 为渗透系数，混凝
土取 1.2×10 m/s，土工膜取 1.0×10 m/s；h 为压力水头，m；Ñh为渗流域在边界处的压力梯度；R 为
-9
-11
渗流阻抗，s；d 为厚度，m。
在渠道周边施加法向位移约束，见图 4，满足初始地应力平衡。

4 结果分析

4.1 温度场分析

4.1.1 渠道阴影分布、太阳辐射及温度变化 因渠道为二维断面，采用衬砌板吸收的太阳辐射量沿
渠周分布来定量描述不同时刻渠道的阴影分布，并分析由此而导致的温度差异。因东西走向渠道
上、下午接收的太阳辐射量基本一致，且阜康地区比北京约晚 2 h，因此取 10∶00—14∶00 时段分析太
阳辐射量；因衬砌板温度存在累积作用，取 10∶00—18∶00 时段分析。以 12 月 10 日为例，结果如图
6—8 所示。其中，坐标原点从阳坡渠顶算起，下同。
由图 6 可知，从早上太阳初升，随时间增加，太阳直射区域由阳坡逐渐扩大至渠底，阴影区域逐
渐减少；随太阳高度角的增加，太阳辐射量逐渐增大，至 14∶00 时最大达 374 W/m ，照射近 1/2 渠周；
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