考慮太陽輻射的寒區(qū)混凝土襯砌渠道凍害機(jī)理

楊曉松, 楊保存, 王正中 ,賀興宏

(1.塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾　843300；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌　712100)

考慮太陽輻射的寒區(qū)混凝土襯砌渠道凍害機(jī)理

楊曉松1, 楊保存1, 王正中2,賀興宏1

(1.塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌712100)

摘要：針對(duì)太陽輻射作用下季節(jié)凍土區(qū)渠道襯砌凍害機(jī)理研究的局限性，從氣象參數(shù)的角度，考慮輻射、氣溫、風(fēng)速等實(shí)際環(huán)境因素，結(jié)合原型觀測(cè)資料，通過建立非穩(wěn)態(tài)相變溫度場(chǎng)有限元模型，對(duì)靖會(huì)總干渠混凝土襯砌渠道東西走向段渠坡凍結(jié)期熱狀況及其與吸收的太陽輻射能之間的關(guān)系進(jìn)行分析。結(jié)果表明：渠基溫度場(chǎng)的橫向不對(duì)稱不均勻分布是季節(jié)凍土區(qū)渠道凍害的主要原因；渠坡日平均日照時(shí)長(zhǎng)和日平均輻射總量呈橫向不對(duì)稱不均勻分布；陰、陽坡渠基淺層(襯砌板下0.4 m)平均溫差與坡板平均太陽輻射量差呈多項(xiàng)式關(guān)系；渠基最大溫差與深度呈線性關(guān)系；太陽輻射吸收系數(shù)對(duì)渠基熱交換影響較大，陰、陽坡板表面最大溫差隨著吸收系數(shù)的增大而線性增加；吸收系數(shù)由0.65增加至0.8時(shí)，陰、陽坡凍深分別減少25%和37%。

關(guān)鍵詞：太陽輻射；混凝土襯砌渠道；氣象參數(shù)；陰、陽坡；橫向不對(duì)稱；凍害機(jī)理

1研究背景

在廣大寒區(qū)，混凝土襯砌渠道凍害問題一直是農(nóng)田水利界關(guān)注的焦點(diǎn)?；炷烈r砌渠道抗凍脹的研究成果主要集中在力學(xué)模型、數(shù)值模擬與原型、模型試驗(yàn)等幾個(gè)方面。如：王正中[1]基于法向凍脹力理論建立了多種斷面渠道襯砌凍脹破壞力學(xué)模型；申向東等[2]提出了混凝土預(yù)制板襯砌結(jié)構(gòu)凍脹破壞力學(xué)模型；劉旭東等[3-5]模擬分析了混凝土襯砌設(shè)置不同縱縫、適變斷面和雙層薄膜防滲的抗凍脹原理與效果；李學(xué)軍等[6]結(jié)合原型觀測(cè)試驗(yàn)建立了凍融渠基水熱耦合模型。這些成果在一定程度上很好地指導(dǎo)了工程實(shí)踐，但是，由于對(duì)凍害的影響因素考慮不夠全面，對(duì)凍害機(jī)理缺乏深入研究，凍害問題并未得到根本解決。

氣候因素是渠道混凝土襯砌凍脹破壞的先決條件。Michel等[7]認(rèn)為在地表平均風(fēng)速不高的情況下，太陽輻射將是影響地表溫度最重要的因素。Jones[8]指出工程建設(shè)中必須注意太陽輻射作用下土體凍結(jié)機(jī)理以及由此引發(fā)的對(duì)其上部建筑的影響，但是缺乏進(jìn)一步的研究。對(duì)渠道系統(tǒng)，即使在同樣的氣候和水文地質(zhì)條件下，因走向、坡度不同，其各部位凍結(jié)和受凍害的程度也不相同。這主要是由于不同坡向、坡度的坡面及坡面各部位吸收太陽輻射能量的時(shí)長(zhǎng)和大小存在差異。在季節(jié)凍土區(qū)的建、構(gòu)筑物凍害機(jī)理及防凍脹研究中，研究者都已意識(shí)到太陽輻射這一主要因素對(duì)土體凍結(jié)、凍害特征的影響，但是對(duì)于太陽輻射這一主要?dú)庀髼l件及其作用下的渠基熱狀況的研究不多且缺乏深入探討。西北農(nóng)林科技大學(xué)課題組[9-10]在研究中初步考慮了太陽輻射的作用，僅僅是將其轉(zhuǎn)化為等效溫度，將襯砌板表面本應(yīng)為第2、第3類溫度邊界條件簡(jiǎn)化為第1類邊界條件，然而，基土溫度場(chǎng)是多種外部因素作用的綜合效應(yīng)。因此，僅僅用第1類熱邊界條件來確定和分析土體熱狀況是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

在渠道斷面的小范圍空間里，氣溫與風(fēng)速具有各向同性，即認(rèn)為各部位的值是相同的。因而，影響渠基溫度場(chǎng)橫向不對(duì)稱的主要原因在于太陽輻射。根據(jù)原型觀測(cè)資料，淺層渠基(襯砌板下0.4 m)處地溫受云、風(fēng)、氣溫等隨機(jī)因素變化的影響已很微弱，其變化主要受太陽輻射影響。

為了更客觀地確定季節(jié)凍土區(qū)渠道溫度場(chǎng)分布規(guī)律及其影響因素，本文作者根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，從氣象參數(shù)的角度，考慮太陽輻射、氣溫、風(fēng)速等實(shí)際邊界條件，結(jié)合原型觀測(cè)資料，建立非穩(wěn)態(tài)相變溫度場(chǎng)有限元模型。采用該模型，計(jì)算渠道斷面不同部位接收太陽輻射時(shí)長(zhǎng)及輻射總量的差異；對(duì)陰陽坡接收太陽輻射總量、溫度場(chǎng)的橫向不對(duì)稱性及其相關(guān)性進(jìn)行研究；同時(shí)，分析了混凝土襯砌板表面太陽輻射吸收系數(shù)對(duì)渠基溫度場(chǎng)及凍深的影響，以期為廣大季節(jié)凍土區(qū)渠道以及其他水工建筑物的防凍害新技術(shù)、新工藝的研究與開發(fā)提供新的思路和可靠的科學(xué)依據(jù)及保障。

2溫度作用時(shí)程分析基本原理

渠道上邊界不僅是輻射熱邊界(第2類邊界條件)，而且是與空氣進(jìn)行換熱的對(duì)流熱邊界(第3類邊界條件)。氣象環(huán)境是渠基土體凍結(jié)、凍脹的上部熱邊界條件，直接影響著渠基土凍結(jié)的起始時(shí)間、歷時(shí)長(zhǎng)短、凍結(jié)速率、凍結(jié)深度和凍脹量大小。真實(shí)、全面地了解渠道外部的氣象環(huán)境是對(duì)季節(jié)凍土區(qū)渠基溫度場(chǎng)、凍結(jié)和凍脹規(guī)律進(jìn)行正確分析與評(píng)價(jià)的前提與基礎(chǔ)，其為季節(jié)凍土區(qū)渠道合理抗凍害設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)與指導(dǎo)。

根據(jù)能量守恒原理，熱擴(kuò)散方程為

(1)

式中：T為溫度(℃)；t為時(shí)間(s)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·℃))；c為體積熱容量(J/(m3·℃))；Q為內(nèi)熱源(W/m3)。

圖1　日照條件下渠道熱交換示意圖Fig.1　Sketch of solarheat transferaround the canal

日照條件下，混凝土襯砌渠道與周圍介質(zhì)的熱交換情況如圖1所示。

大氣長(zhǎng)波輻射、大氣反射輻射和周圍地面輻射與太陽輻射相比，數(shù)量級(jí)差別較大，可以不予考慮。根據(jù)圖1，襯砌渠道的熱邊界條件可以表示為

(2)

式中：qs為太陽輻射熱流密度(J/(m2.s))；qc為對(duì)流換熱熱流密度(J(/m2·s))；qr為熱輻射換熱熱流密度( J/m2·s))；nx，ny為邊界外法線的方向余弦；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)(W/(m·℃))。

2.1太陽輻射換熱

中國(guó)太陽輻射觀測(cè)站點(diǎn)較少，對(duì)渠道襯砌表面的熱狀況，尤其是太陽輻射、風(fēng)速和氣溫進(jìn)行的觀測(cè)很少，在短時(shí)間內(nèi)難以建立較長(zhǎng)的時(shí)間序列。因此，只能從氣象學(xué)的角度，借助發(fā)展日趨成熟的氣象參數(shù)模型進(jìn)行研究。

考慮到模型的適用性與通用性，太陽輻射模型優(yōu)先選用Hottel模型[11]。

模型計(jì)算中，修正因子r0，r1，rk由當(dāng)?shù)貧夂蝾愋透鶕?jù)文獻(xiàn)[12]，取中緯度冬季r0=1.03，r1=1.01，rk=1。

斜面上的瞬時(shí)太陽直接輻射Gs[13]為

(3)

式中：Gcb為水平地面瞬時(shí)太陽直接輻射(W/m2)；i為太陽光線在斜面上的入射角(°)；h為太陽高度角(°)。受坡度、坡向、緯度、赤緯和時(shí)角的影響，有如下關(guān)系式：

cosi=cosasinh+sinacoshcos(β-η);

式中： φ為地理緯度弧度(rad)；ω為時(shí)角(°)；δ為傾角(rad)；a為邊坡坡度；η為線路方位角，即渠道縱向與正東方向的夾角，偏北為正，對(duì)東西走向渠道，取η=0，對(duì)南北走向渠道，取η=90°；β為太陽方位角，是太陽光線在水平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，且有

(4)

斜面上來自天空的瞬時(shí)太陽散射輻射Gscd[14]為

(5)

其中角系數(shù)Rs=(1+cosφ)/2。

式中：Gcd為水平地面瞬時(shí)太陽散射幅射(W/m2);φ為入射表面法線與水平線之間的夾角(°)。

2.2對(duì)流換熱

外界氣溫受自然界多種因素的影響，但是晴天氣溫日變化過程卻具有較好的規(guī)律性，可用正弦函數(shù)表示為[15]

(6)

式中：Ta,max，Ta,min分別為日最高氣溫(℃)和日最低氣溫(℃)，由當(dāng)年氣象資料獲取。

空氣對(duì)流引起的熱流密度依賴于空氣流速、邊界表面與空氣的溫度，可表示為

(7)

式中：Ta，T分別為氣溫(℃)和邊界溫度(℃)；hc為對(duì)流換熱系數(shù)(W/(m2· K))，與表面形狀、尺寸、風(fēng)速、周圍空氣溫度等許多因素有關(guān)，通?？梢员硎緸轱L(fēng)速的線性函數(shù)[16],即

(8)

式中v為年平均風(fēng)速。中國(guó)多數(shù)地區(qū)年大風(fēng)日數(shù)較少，年平均風(fēng)速v=1～4 m/s。

2.3輻射換熱

混凝土襯砌板在吸收來自太陽的短波輻射和周圍環(huán)境發(fā)射的長(zhǎng)波輻射的同時(shí)，自身也以電磁波的形式向外界發(fā)射長(zhǎng)波輻射。輻射換熱熱流密度可以表示為[13]

(9)

式中：cs為Stefan-Boltzmann常數(shù)，取值5.67×10-8W2/K4；ε為混凝土襯砌板表面輻射率，一般取值為0.85～0.95；εa為大氣長(zhǎng)波輻射率，一般取為0.82。

3模型建立

3.1原型渠道基本情況

試驗(yàn)渠段為甘肅省靖會(huì)總干的梯形渠道，東西走向，周圍無遮蔽，海拔1 600 km，緯度36°N，其斷面尺寸及計(jì)算點(diǎn)分布見圖2，1—6為陽坡計(jì)算點(diǎn)，11—16為陰坡計(jì)算點(diǎn)。混凝土襯砌板太陽輻射吸收系數(shù)為0.65，表面放熱系數(shù)為23.6 W/(m2·K)。年平均地表溫度為8 ℃，年溫度不變層距地表10 m。根據(jù)實(shí)測(cè)氣象資料，2006年最冷月1月份平均氣溫為-10.8 ℃。渠基土體與混凝土材料的熱力學(xué)參數(shù)見表1[17]。

圖2　渠床尺寸及計(jì)算點(diǎn)分布Fig.2　Canal bed size and distribution of calculation points on canal bed

材料導(dǎo)熱系數(shù)/(W·m-1·℃-1)體積熱容量/(106J·m-3·℃-1)未凍土0.902.13凍土1.501.76混凝土1.572.23

3.2基本假定與有限元模型

基本假定：

(1) 渠基凍土為橫觀各向同性材料。

(2) 該渠基土地下水位距離渠底5 m，對(duì)基土凍結(jié)影響較小，基土凍結(jié)過程中只發(fā)生原位水凍結(jié)，不考慮凍結(jié)過程中水分遷移作用的影響，即渠基為封閉系統(tǒng)。

(3) 渠道屬細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，可忽略沿渠長(zhǎng)方向的溫度差異，認(rèn)為熱量傳遞只發(fā)生在渠道橫截面上，襯砌渠道凍脹可作為平面應(yīng)變問題處理。

(4) 基土凍結(jié)溫度為-0.02 ℃。根據(jù)原型測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，渠道頂部水平部分在1.5 m范圍內(nèi)都會(huì)對(duì)基土溫度場(chǎng)產(chǎn)生影響，因而有限元模型中基礎(chǔ)從底板向下取10 m，渠頂水平左右邊界取1.5 m，模型左右邊界視為絕熱邊界，底部邊界溫度取年平均溫度不變層溫度，即年平均地表溫度8 ℃。取坡板月平均表面溫度[18]為溫度場(chǎng)邊界條件，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。將穩(wěn)態(tài)計(jì)算所得各節(jié)點(diǎn)溫度作為初始條件，進(jìn)行最冷月(1月份)的渠基瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算。渠基上部熱邊界條件為根據(jù)氣象參數(shù)時(shí)程模型計(jì)算得到的太陽熱輻射、空氣對(duì)流和襯砌板輻射。

3.3模型驗(yàn)證

利用建立的模型對(duì)試驗(yàn)渠段2006年1月份凍結(jié)期間渠基溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬。表2是凍結(jié)期間陰、陽坡最大凍深計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，凍深最大誤差為陽坡的6.5%，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好。圖3是1月20日渠頂?shù)販赜?jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比，最大誤差為4.2%，吻合較好。由此可見，文中建立的有限元模型是合理的，參數(shù)選取及邊界條件的確定是可靠的，可以對(duì)多氣象參數(shù)作用下的混凝土襯砌渠基日照溫度效應(yīng)進(jìn)行分析。

表2　凍結(jié)期最大凍深計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

圖3　2006年1月20日渠頂溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.3　Comparison of temperature at canal top between calculated values and observed values

4計(jì)算結(jié)果與分析

4.1渠道表面太陽輻射

渠道呈倒梯形剖面，陰、陽坡為斜面，伴隨著日出、日落以及陰坡的遮蔽作用，渠道襯砌陰坡、陽坡、渠底及同一坡板不同部位處接收太陽直接輻射的時(shí)長(zhǎng)與總量是不同的，這種差異尤以東西走向渠道最為顯著。這是導(dǎo)致渠道陰坡、陽坡熱狀況差異的根本原因。

取日出、日落時(shí)刻太陽高度角為0，可以計(jì)算出渠道不同坡板、不同位置接收太陽直接輻射的時(shí)長(zhǎng)與太陽輻射總量大小。日平均輻射時(shí)長(zhǎng)及日平均太陽輻射總量大小隨渠道橫斷面位置分布變化規(guī)律見圖4與圖5。

圖4　各部位日平均日照時(shí)長(zhǎng)Fig.4　Various parts’ daily average sunshine time

圖5　襯砌板表面日平均輻射總量分布Fig.5　Distribution of daily average solar radiation on lining board

由圖4可知，日照時(shí)長(zhǎng)陽坡最大，渠底次之，陰坡最小。陽坡坡頂日照時(shí)長(zhǎng)為10 h，至坡腳逐漸減小為4.9 h。陰坡由于朝向北，其上各部位接收日照的時(shí)間相等，為1 h。由陽坡坡頂至陰坡坡腳，襯砌板表面接收太陽直接輻射的時(shí)長(zhǎng)逐漸減小，陽坡減少較快，渠底較慢。

太陽輻射總量差異是日照時(shí)長(zhǎng)差異的必然結(jié)果。由于在陰、陽坡及渠底上散射輻射均勻分布，渠道襯砌板日輻射總量隨橫斷面的分布表現(xiàn)出類似于時(shí)長(zhǎng)分布的變化規(guī)律。不同的是，渠底兩端，即在接近陰、陽坡腳處，太陽輻射總量由于襯砌板角度的變化而產(chǎn)生突變，陽坡坡腳點(diǎn)位6處減小23%，陰坡坡腳點(diǎn)位11處減小42%(見圖5)。由坡頂至坡腳，太陽輻射總量陽坡明顯高于陰坡。相差幅度最大在坡頂，點(diǎn)位1處日輻射總量為點(diǎn)位16處的4.1倍；相差幅度最小在坡腳，陽坡點(diǎn)位6處日輻射總量為陰坡點(diǎn)位11處的3.4倍。陰、陽坡面熱交換條件差異明顯，存在顯著的橫向不對(duì)稱性。熱交換條件的差異在宏觀上表現(xiàn)為凍脹量和凍深的差異。根據(jù)原型觀測(cè)資料，陰坡最大凍深71 cm，是陽坡的1.5倍，陰坡最大凍脹量6 cm，是陽坡的1.3倍。

太陽輻射是渠基能量的主要來源。太陽輻射能量在橫斷面上的不均勻分布必將導(dǎo)致陰、陽坡及渠底溫度場(chǎng)的不均勻分布，使得陰、陽坡溫度場(chǎng)產(chǎn)生橫向不對(duì)稱，影響基土的熱力結(jié)構(gòu)。在凍結(jié)期，陰坡先于陽坡開始凍結(jié)，且凍深大于陽坡；在融化期，陰坡遲于陽坡融化，且融化深度小于陽坡。這使得陰坡凍結(jié)基土的厚度大于陽坡，基土凍結(jié)土層沿渠基橫向產(chǎn)生厚度差異，在相同地理位置、土質(zhì)和水文條件情況下，這種差異可導(dǎo)致陰、陽坡凍脹變形、襯砌板所受凍脹力不均勻及橫向不對(duì)稱分布，最終導(dǎo)致渠道襯砌凍脹破壞。

圖7　淺層渠基平均溫差與平均太陽輻射差的關(guān)系Fig.7　Relationship between average temperature difference and average solar radiation difference of shallow canalfoundation

渠道自建成之日起，陰、陽坡便已形成，不對(duì)稱性隨之產(chǎn)生。一般而言，嚴(yán)格意義上的對(duì)稱渠道是不存在的。季節(jié)凍土區(qū)渠道由于斷面的特殊性，太陽輻射能量沿?cái)嗝娌町惙植迹瑢?dǎo)致陰、陽坡和渠底溫度場(chǎng)不均勻分布，陰、陽坡溫度場(chǎng)橫向不對(duì)稱。不均勻不對(duì)稱分布的溫度場(chǎng)必將產(chǎn)生不均勻不對(duì)稱分布的凍脹變形和凍脹力，這是季節(jié)凍土區(qū)渠道凍脹破壞的主要原因。因此，基于氣象學(xué)考慮的襯砌板凍害機(jī)理可以表達(dá)為圖6。在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)、計(jì)算與分析中，考慮渠基外部熱交換因素的差異，真實(shí)模擬自然熱邊界條件是十分必要的。

圖6　凍害機(jī)理邏輯關(guān)系

4.2陰、陽坡淺層渠基平均溫差與平均太陽輻射差的關(guān)系

在了解渠基溫度場(chǎng)分

布規(guī)律及陰、陽邊坡吸收的太陽輻射能變化特征和差異后，研究渠基熱狀況與吸收的太陽輻射能量之間的關(guān)系就顯得十分重要。圖 7給出了陰、陽坡淺層渠基(襯砌板下0.4 m)平均溫差與平均太陽輻射差的分布關(guān)系。由圖7可知，兩者之間呈多項(xiàng)式關(guān)系，R2=0.996 7，擬合的回歸方程為

ΔT=0.004ΔQ2-0.001ΔQ+2.065 7。

(10)

式中：ΔT為陰、陽坡淺層渠基平均溫差(℃)；ΔQ為陰、陽坡襯砌板表面日平均太陽輻射量差值(MJ/m2)。

淺層渠基平均溫差隨著接收的太陽輻射量差值的增加而增大，將進(jìn)一步導(dǎo)致渠基橫向溫度場(chǎng)的不對(duì)稱不均勻分布。

4.3基土橫向溫差分析

同一深度處，陽坡中部渠基溫度明顯高于陰坡，陰、陽坡渠基的熱狀況存在著顯著的橫向不對(duì)稱性。圖8給出了陰、陽坡中部襯砌板下渠基最大溫差與深度的關(guān)系，兩者呈線性關(guān)系，R2=0.996 4，擬合的回歸方程為

D=-51.633ΔTmax+209.96。

(11)

式中：D為渠基自襯砌板下表面向下的深度(cm)；ΔTmax為陰、陽坡中部渠基同一深度處最大溫差(℃)。

圖8　陰、陽坡中部溫差隨深度的變化規(guī)律Fig.8　Variation of temperature difference with the depth in the middle locations of sunny slope and shady slope

4.4襯砌板表面太陽輻射吸收系數(shù)的影響

混凝土襯砌板表面太陽輻射吸收系數(shù)有較大的變化范圍，是由混凝土本身材料性質(zhì)決定的，不隨表面溫度及太陽輻射強(qiáng)度的變化而變化，除了受混凝土骨料種類、骨料用量和含水狀態(tài)等自身因素影響外，結(jié)構(gòu)表面色澤和粗糙度對(duì)其也有較大的影響?；炷帘砻骖伾缴睿栞椛湮障禂?shù)越大；混凝土表面越粗糙，太陽輻射吸收系數(shù)越大。

渠道自投入使用起，混凝土襯砌板暴露在外部環(huán)境中，經(jīng)受多種物理、化學(xué)和生物作用，如風(fēng)蝕、泥沙沖刷和雨雪等，其表面逐漸粗糙，光澤日趨暗淡，混凝土逐漸老化，勢(shì)必導(dǎo)致混凝土襯砌板的太陽輻射吸收系數(shù)發(fā)生變化，改變渠基與外部環(huán)境的熱交換邊界，從而影響渠基與外部環(huán)境的熱交換，并進(jìn)一步影響渠基凍結(jié)過程。

圖9　太陽輻射吸收系數(shù)與坡板表面橫向最大溫差的關(guān)系Fig.9　Relationship between solar radiation’s absorption coefficient and maximum horizontal temperature difference of slope board’s surface

圖10　太陽輻射吸收系數(shù)對(duì)陰、陽坡凍深的影響Fig.10　Influence of solar radiation’s absorption coefficient on frozen depth of sunny and shady slopes

試驗(yàn)研究結(jié)果表明，對(duì)于不同的表面狀況，混凝土表面的太陽輻射吸收系數(shù)為0.4～0.7[19]。在0～1范圍內(nèi)取0.2，0.4，0.6，0.8,1.0等5種襯砌板表面太陽輻射吸收系數(shù)重復(fù)前文的計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，陰、陽坡襯砌板表面最大溫差與太陽輻射吸收系數(shù)呈線性關(guān)系，R2=0.993 9，見圖9，擬合的回歸方程為

(12)

文中，混凝土襯砌板表面太陽輻射吸收系數(shù)為0.65，為更加直觀表明太陽輻射吸收系數(shù)對(duì)渠基熱交換的影響，將其增加為0.8，研究?jī)錾畹淖兓?。圖10給出了陰、陽坡凍深在太陽輻射吸收系數(shù)增加前后的對(duì)比，陽坡凍深減少37%，陰坡凍深減少25%?；炷烈r砌板表面太陽輻射吸收系數(shù)對(duì)渠基熱狀況的影響顯著。

5結(jié)論與討論

太陽輻射是渠基能量的主要來源。坡向、坡度及自身的遮蔽作用使得渠道陰坡、陽坡接收太陽直接輻射的時(shí)長(zhǎng)和輻射總量存在橫向差異。即使同一坡板，不同位置處日照時(shí)長(zhǎng)及太陽輻射總量亦不相同。渠道日照時(shí)長(zhǎng)和太陽輻射總量的橫向不均勻不對(duì)稱分布影響著渠基熱結(jié)構(gòu)，使得渠基中存在顯著的橫向熱差異。在相同地理位置、土質(zhì)和水文條件下，熱交換條件的橫向差異、溫度場(chǎng)的橫向不對(duì)稱勢(shì)必產(chǎn)生橫向不對(duì)稱的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，這是渠道凍害的主要原因。進(jìn)一步分析表明：

(1) 陰、陽坡淺層渠基(襯砌板下0.4 m)平均溫差與平均太陽輻射差呈多項(xiàng)式關(guān)系。

(2) 陰、陽坡中部襯砌板下渠基最大溫差與深度呈線性關(guān)系。

(3) 混凝土襯砌板太陽輻射吸收系數(shù)對(duì)渠基熱交換有較大的影響，陰、陽坡襯砌板表面最大溫差隨著太陽輻射吸收系數(shù)的增加而線性增大。

以上結(jié)果是在理想天氣條件下對(duì)渠道日照溫度效應(yīng)進(jìn)行研究，對(duì)于其它天氣情況，如多云、降水和降雪等對(duì)渠基熱狀況的影響尚需作進(jìn)一步的分析。同時(shí)，對(duì)于如何能夠充分利用太陽輻射資源的熱效應(yīng)以及解決渠坡熱狀況橫向不對(duì)稱不均勻分布問題應(yīng)該是下一步季節(jié)凍土區(qū)渠道防凍害研究的重點(diǎn)。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

YANG Xiao-song1, YANG Bao-cun1, WANG Zheng-zhong2, HE Xing-hong1

(1.College of Water Conservancy and Construction Engineering, Tarim University, Alear843300, China;

2.College of Water Conservancy and Construction Engineering, Northwest A & F University,

Yangling712100, China)

thermal regime and solar radiation absorption in frozen period. Actual environmental factors, such as solar radiation, air temperature and wind speed, were considered in the model. The slope of Jinhui main canal’s E-W directional segment with concrete lining was taken as a case study. The simulation result indicates that: the lateral asymmetric and uneven thermal field of canal foundation is the main cause of canal lining’s frozen damage in cold regions; the average daily solar time and solar radiation of southern and northern slopes are also lateral asymmetric and uneven; the average temperature difference of shallow canal foundation (0.4 m) is in polynomial relation with the average solar radiation difference; the maximum temperature difference of canal foundation is in linear relationship with the depth; the solar radiation absorption coefficients have great influence on the heat exchange of canal foundation; the maximum temperature difference between sunny slope’s and shady slope’s lining board surface increases linearly with the enlargement of solar radiation absorption coefficient; the southern slope’s frozen depth decreases by 25% and the northern slope’s by 37% when the solar radiation absorption coefficient increases from 0.65 to 0.8.

Mechanism of Frost Damage of Canal with Concrete Lining inCold Regions in Consideration of Solar Radiation

Abstract:Research on the mechanism of frost damage of canal with concrete lining under the influence of solar radiation in seasonally frozen regions has some limitations. In view of this, we established finite element model with unsteady temperature field and phase change based on prototype observation data to analyse the relationship between

Key words:solar radiation; canal with concrete lininging; meteorological parameters; southern and northern slopes; lateral asymmetry; mechanism of frost damage

收稿日期：2015-03-25；修回日期：2015-05-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51168042)； 塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金項(xiàng)目(TDZKQNZD201505)

作者簡(jiǎn)介：楊曉松(1983-), 男, 河南信陽人, 講師, 博士, 主要從事鹽漬土及凍土工程災(zāi)害防治工作，(電話)15770083973(電子信箱)taru_yang@163.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150219

中圖分類號(hào)：TV3；TV6； S27

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)06-0041-06

2016,33(06):41-46，52