Page 97 - 水利学报2021年第52卷第5期

的整体变形趋势与监测值分布规律基本一致，同时，在后续融化过程中，衬砌板冻胀变形亦随基土
内冰水总含量的减少而逐渐变小，表明本文的数值模型可较好的模拟衬砌结构在基土冻胀作用下的
冻融变形特征。

5 考虑太阳辐射渠道冻胀模型的热边界选取及合理性评价

太阳辐射是渠道冻胀分析中能量的来源，影响着基土内部温度场、水分场及变形场的耦合作
用，是进行寒区渠道设计的重要因素，其中热边界合理选取至关重要。现阶段，冻胀数值模拟中常
用以下两种热边界：（1）以日或月为单位拟合环境温度，只采用热对流边界 ［2-3，9，13］ ，但无法考虑太阳
辐射产生的阴阳坡效应；（2）结合现场实测数据，采用正弦函数拟合阴、阳坡温度变化曲线，并将其
直接赋予结构边界 ［17-18］ ，但却无法充分反映出太阳辐射的空间效应和昼夜温差的时间效应。目前公认
更为准确的是第二种以现场地温监测为依据的拟合温度边界，以此为参照，对比分析本文采用的太
阳辐射、面-面辐射、环境辐射的热辐射边界和昼夜温差的热对流边界组合，对热边界选取及其合理
性进行评价。拟合温度边界取上章仿真结果的阴坡、渠底和阳坡的日均表面温度数据（图 9） 来正弦
拟合热边界，可弥补现场监测点少且数据不全的缺点。下面将从温度、水分、变形来分别阐述。
取阴、阳坡 2/3 设计水位点的冻深发展过程结果，如图 16 所示。由图可知，拟合的温度边界使衬
砌板温度缓慢变化，冻结速率发展较为均匀；而本文模型因考虑了太阳辐射空间效应和昼夜温度时
间效应的耦合叠加作用，使得冻深发展在局部位置出现了短暂的平台状，冻结速率忽快忽慢，但与
外界的环境变化相协调，更符合现场实际规律。
阴、阳坡含水量分布规律基本类似，取最大冻深时刻下阴坡 2/3 设计水位点的总含水量沿基土深
度的分布曲线，如图 17 所示。由图可知，因拟合温度边界下冻结速率变化较为均匀，除浅层基土
外，含水率由上至下逐渐增大，至冻结峰面处最大，与单向冻结结果基本一致。而本文模型因考虑
太阳辐射和昼夜温差作用，冻结初期的“夜冻昼消”往复冻融循环作用使得基土表层含水增加；水分
分布与冻土的冻结速率相对应，冻结速率慢时水分迁移多，反之亦然，更能反映出外界环境作用引
起的水热耦合作用。
总含水率和冻深差异导致了不同的冻胀变形，取阴、阳坡 2/3 设计水位点，其衬砌板法向冻胀变
形随时间的分布规律如图 18 所示。由图可知，衬砌板的起始冻胀时刻、冻胀量发展速度和量级，以

图 16 不同热边界下的冻深发展过程线 图 17 不同热边界下的水分场分布

图 18 不同工况下衬砌板法向冻胀量随时间变化曲线
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