Page 98 - 水利学报2021年第52卷第5期

及融化速度等变量均与热边界有关，拟合温度边界方法得到的冻胀量不能反映出太阳辐射和昼夜温
差作用所引起的冻结速率差异而导致的水热分布规律，导致结构冻融破坏计算不准确。
结合温度、水分和变形结果可知，本文数值模型的结果与目前公认的以地温监测数据为基础的
拟合温度边界所得规律基本一致，结合上一节结果，可进一步说明本文模型的准确性；同时本文模
型综合考虑了太阳辐射的空间效应和昼夜温度的时间效应，可反映出外界环境作用下寒区渠道水、
热、力耦合的冻胀破坏本质，特别是能减少对现场监测值的依赖性，且具有理论通用性，相比于目
前使用较多的拟合温度边界，结果更加合理、准确，且可辅助设计单位进行前期渠道设计，满足精
细化设计、复核的要求。

6 结论

考虑太阳辐射和昼夜温差的时空变化，提出了渠道的阴影计算方法，基于冻土的横观各向同性
冻胀特征，建立了“太阳辐射-环境温度-冻土-工程”相互作用的水-热-力耦合冻胀模型，并探讨了不
同热边界对渠道水-热-力耦合计算的影响，结合工程监测及数值模拟结果，得到如下结论：（1）考虑
太阳辐射的渠道冻胀模型计算的温度、水分和变形结果与现场实测值较为吻合，分布规律一致，表
明本文模型可分析太阳辐射空间效应和昼夜温差时间效应下的寒区渠道冻结过程，理论通用性强，
且可减少对现场监测的依赖，可为寒区渠道的冻胀模拟、预测及灾害防控设计提供理论依据。（2）探
明了渠道表面太阳辐射的时空分布规律，阴、阳坡太阳辐射时长、辐射量存在显著差异，其表面温
度由外界气温和太阳辐射量共同决定，计算的阴、阳坡日均温差最大为 3.5 ℃，导致了阴坡早于阳坡
15 d 冻结，晚于阳坡 1 d 融化，冻深发展差异明显，最大相差 31 cm，渠道阴阳坡温度场分布不对称
且不同步。（3）冻结期渠道阴坡结冰区域及量值明显大于阳坡，“夜冻昼消”的冻融循环作用使基土浅
层含水量明显增多，而融化期阳坡冰融化速度大于阴坡，水分场呈不对称、不同步、层状分布等特
点。（4）渠坡板和底板的最大冻胀变形分别发生在 1/4 ~ 1/3 坡长位置和偏阳坡位置，阴、阳坡变形随
时间的发展过程呈不均匀、不同步、不对称性，计算的最大变形分别为 12.48 和 8.47 cm。（5）渠道阴
阳坡效应产生的本质在于太阳辐射和昼夜温差引起的渠道能量收支差异、温度梯度和冻结速率变化
所致，即热边界引起的渠道基土的水-热-力动态耦合作用。（6）前期设计时，宜采用多年气温拟合值
和太阳辐射参数确定热边界；已建工程冻胀评价时，宜采用日气温值和太阳辐射参数确定热边界，
并辅以监测值对其修正。

参 考 文 献：

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（8）：947-959 .
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