Page 95 - 水利学报2021年第52卷第5期

阴坡遮蔽作用而引起的衬砌板横向温度差异。 A 冻深监测结果 G
2 B 冻深数值结果 F
4.1.3 渠道阴阳坡冻深及基土温度场变化 渠道 1.38 C E 1.53
1.36
表面温度场的不对称导致基土温度场的差异性分 深度/m 0 （1.20） （1.24） （1.20） D （1.46） （1.40） （1.42）
1.17
1.30
1.15
布。以阴、阳坡 2/3 设计水位点为例，将 0 ℃等温 -2 1.25 （1.47）
线作为冻深判别依据，其发展如图 10 所示。
-4
因昼夜温差及太阳辐射作用，冻结前期阴、 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
距离/m
阳坡呈现出“夜冻昼消”的现象。由图可知，冻深
图 11 3 月 16 日渠道温度场分布曲线
随负积温的累积而逐渐向下发展，“夜冻昼消”现
象逐渐消失，其中阴坡于 11 月 25 日消失，阳坡于 12 月 10 日消失，二者前后差异 15 d。结合图 5，至
1 月 10 日最低温时刻，冻深并未发展至最大，后期虽存在大幅度升温现象，但并未达到冻土的融化
温度，冻深依然向下发展；至 3 月 16 日，冻深最大，为 135 cm；随着温度的继续升高，阳坡于 3 月
17 日开始融化，阴坡于 3 月 18 日开始融化，二者前后差异 1 d。外加太阳辐射作用，使得基土的融化
速率远大于冻结速率，至监测期的最后一天 3 月 28 日，阴、阳坡基土表面分别融化 40 和 49 cm，冻深
分别为 97 和 66 cm，差异明显。
为进一步分析太阳辐射作用下的基土温度场分布规律，取最大冻深时刻，如图 11 所示。
由图可知，阴坡温度明显低于阳坡，温度场呈不对称分布；基土温度随外界气温（-8 ℃）变化存
在滞后性，冻深以上温度变化剧烈，以下则较为缓慢。结合冻深监测结果可知，数值结果略小，最
大差异为 22 cm，主要原因在于太阳辐射模型未考虑阴天、降水对太阳光的阻挡所致。但反映出的冻
深分布规律与监测结果分布规律基本一致，仅在数值上存在微小差异，表明本文模型可较好的模拟
太阳辐射作用下的基土温度场分布规律。
4.2 水分场分析 太阳辐射和环境温度共同作用
引起渠道的不对称温度场，势必引起不对称的水
分场分布。为此取 11 月 5 日（初始时刻）和 1 月 20
日（监 测 时 刻）阳 坡 、 渠 底 及 阴 坡 的 测 点 A、 B、
D、F、G 的总含水率沿基土深度分布结果，如图
12 所示。
由图可知，相比于初始时刻，冻结区域内因
外界负积温作用而使未冻区内的水分逐渐向上迁
移，水分集聚现象明显。由数值结果可知，因太
阳辐射和昼夜温度的叠加作用，冻土内存在多个 图 12 关键点渠基土体积含水率分布曲线
水分集聚位置，而非只发生在冻结锋面处；阳坡、渠底及阴坡水分的集聚个数、位置及深度均不
同，呈现出阴坡含水量最多而阳坡最少的分布规律。对比监测结果可知，因现场选取局部点来烘
干，仅能反映出水分运移规律，并不能严格反映出含水量最高点或冻结锋面位置，但在冻深范围内
呈现阴坡、渠底总含水量高而阳坡较少的分布规律，与数值结果一致。然数值解的表层含水量偏
高，80 ~ 100 cm 深度处偏低，可能与未考虑阴天、蒸发等因素及现场局部地质引起的初始含水偏高
所致；但其他位置点的含水量吻合度较高，满足工程要求，即此模型可模拟太阳辐射下的水分迁
移、冻结相变等特征。
为进一步分析不对称的冰、水含量分布，取最大冻深时刻（3 月 16 日）和最大融深时刻（3 月 28 日）
的水分场结果，如图 13—14 所示。
由图 13 可知，冻结区域内的未冻水含量随温度降低而逐渐减少，最低为 0.06，接近于基土的残
余含水量；而相应位置的结冰量逐渐增加，冰含量呈条带状分布，无明显的空间分布规律 ［2-3，12］ ，但
与基土冻深发展相呼应（图 10）；因冻结初期基土表层常处于冻融循环状态，在多次温度抽吸力下表
层冰含量较大；冰、水总含量最大为 0.6，已远大于基土的孔隙率，将发生严重的冻胀变形。
3 月 16 日表层基土出现局部融化现象，含水量增加而冰含量减少。随着外界温度的逐渐升高，

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