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

• 作者: 江浩源 王正中 刘铨鸿 王羿 谭志翔 孟晓栋
• 来源期刊: 水利学报
• 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
• 年，卷（期）: 2021,（5）
• 页码范围: 589-602
• 页数: 14页
• 分类号: TV672
• 语种: 中文
• DOI: 10.13243/j.cnki.slxb.20200617

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15d冻结,晚于阳坡1d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.