不同凍土條件下渠道地基熱狀況模擬研究

韓洪武，穆彥虎，虞 洪，丁澤琨，陳 領(lǐng)

(1. 青海省水利水電工程局有限責(zé)任公司，青海 西寧 810001； 2. 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000； 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

多年凍土指地表以下一定深度內(nèi)地溫在0 ℃及0 ℃以下至少連續(xù)存在兩年的巖土層。我國(guó)為世界第三凍土大國(guó)，多年凍土分布面積約占國(guó)土面積的22%，主要分布在青藏高原、大小興安嶺及西部高山地區(qū)[1]。作為一種客觀特殊地質(zhì)體，多年凍土是地質(zhì)歷史和氣候變遷背景下受區(qū)域地理環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、水文和植被特征等因素共同影響下，通過(guò)地氣間物質(zhì)與能量交換發(fā)育而成的。從物質(zhì)組成來(lái)看，凍土是由礦物顆粒、冰、未凍水和氣體組成的一種四相體材料[2]。與常規(guī)巖土不同，凍土的物理、力學(xué)、水力性質(zhì)及伴隨凍結(jié)和融化過(guò)程中的熱、力、變形現(xiàn)象均與其溫度變化過(guò)程密切相關(guān)[3]。

在多年凍土區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，工程活動(dòng)對(duì)包括局地地形、地貌、植被、淺層巖土體類型、地表水體、徑流等局地因素的改變將不可避免地打破原有的地氣能量平衡，進(jìn)而影響到下伏多年凍土水熱狀況，引發(fā)多年凍土的退化過(guò)程，具體可表現(xiàn)為活動(dòng)層厚度增加、地溫升高、融化夾層發(fā)育[4-7]。對(duì)于渠道工程，涉及的開(kāi)挖工程和過(guò)水等將對(duì)活動(dòng)層季節(jié)凍融過(guò)程和下部多年凍土水熱狀況產(chǎn)生長(zhǎng)期且顯著的影響，而這一過(guò)程反過(guò)來(lái)將大幅降低凍土地基承載力，引發(fā)顯著的沉降變形過(guò)程，由此威脅到水工結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，甚至結(jié)構(gòu)功能失效[8]。目前，受工程實(shí)踐需求所限，國(guó)內(nèi)外凍土區(qū)渠道相關(guān)研究主要集中在季節(jié)凍土區(qū)，包括渠基土的水熱監(jiān)測(cè)與模擬、襯砌結(jié)構(gòu)的凍脹機(jī)理與過(guò)程、適應(yīng)凍脹的襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化與措施研發(fā)、循環(huán)凍融作用對(duì)渠基土、混凝土等材料工程性能的影響等方面[9-14]。而在多年凍土區(qū)，相關(guān)方面的研究十分有限，主要集中在俄羅斯、加拿大等高緯度多年凍土區(qū)的一些水利大壩的設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中壩體的熱狀況、凍融界限及包括凍脹、融沉等壩體變形的監(jiān)測(cè)和模擬[15-19]。

以高海拔多年凍土區(qū)某渠道工程為研究對(duì)象，開(kāi)展渠道工程和多年凍土地基相互作用研究。針對(duì)長(zhǎng)期過(guò)水及氣候變暖影響，在考慮凍融土體內(nèi)水分遷移、冰水相變及土體未凍水含量與溫度非線性關(guān)系基礎(chǔ)上，構(gòu)建凍融土體水-熱耦合數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值模擬手段開(kāi)展渠道下伏凍土地基長(zhǎng)期熱狀況演化過(guò)程模擬研究，并通過(guò)已有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 水熱耦合計(jì)算模型

為研究渠道下部多年凍土地基長(zhǎng)期熱狀況演化規(guī)律，需要建立凍融土體水熱耦合數(shù)學(xué)模型。模型建立過(guò)程中的基本假設(shè)包括：土體均勻、連續(xù)且各向同性；凍結(jié)、融化土體內(nèi)的水分遷移均滿足達(dá)西定律；考慮水勢(shì)梯度作為凍融土體中液態(tài)水遷移的驅(qū)動(dòng)力，忽略溫度梯度的影響。

1.1 質(zhì)量守恒方程

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在不考慮水汽遷移的情況下，凍土中總等效體積含水量θ可以寫(xiě)成：

式中：θ為總等效體積含水量（m3/m3）；θu為液態(tài)水體積含量（m3/m3）；θi為體積冰含量（m3/m3）；qlh為土壤水勢(shì)梯度下液態(tài)水通量密度（m/s）；ρi和ρw分別為冰密度和水密度（kg/m3）；t為時(shí)間。

根據(jù)Harlan模型，凍土中的液態(tài)水遷移與非飽和融土中液態(tài)水遷移相似[20]。凍土中的液態(tài)水遷移可以用Richards方程來(lái)描述，且主要受水勢(shì)梯度和導(dǎo)水系數(shù)的影響[21]。在未凍土和凍土中，水勢(shì)梯度和導(dǎo)水系數(shù)有差異顯著，但凍結(jié)土體中水分遷移仍可認(rèn)為遵循達(dá)西定律[22]。因此，只考慮水勢(shì)梯度作為凍結(jié)土體和未凍土體中液態(tài)水遷移的驅(qū)動(dòng)力，則液態(tài)水的通量密度[23]可以寫(xiě)成:

式中：Klh為水勢(shì)梯度下土體液態(tài)水導(dǎo)水系數(shù)（m2/s）；y為縱向坐標(biāo)（m）；h為壓力水頭（m）?？紤]將總等效體積含水量作為變量，凍融土體中液態(tài)水質(zhì)量守恒方程可以寫(xiě)為：

1.2 水力參數(shù)

凍融土體中液態(tài)水遷移與其壓力水頭相關(guān)，可通過(guò)土水特征曲線（SWCC）計(jì)算壓力水頭。本文中，凍融土體的水力參數(shù)可以用van Genuchten模型和Mualem模型[24-25]進(jìn)行描述：

式中：Se為有效飽和度；Ks為飽和土體導(dǎo)水系數(shù)（m/s）；θl、θs、θr分別為液態(tài)水含量、飽和液態(tài)水含量和殘余含水量（m3/m3）；α為土體進(jìn)氣值的倒數(shù)（m?1）；m= (1 – 1/n)、n、l為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，文獻(xiàn) [25]建議l取 0.5。

1.3 能量守恒方程

已有試驗(yàn)研究表明，與熱傳導(dǎo)和冰水相變潛熱相比，土體中對(duì)流傳熱量級(jí)非常小，在凍融土體的傳熱分析中一般可以忽略[21]。因此，僅考慮熱傳導(dǎo)和冰水相變潛熱，則凍融土體的能量守恒方程[26]可以寫(xiě)為：

式中：T為溫度；Cm、λm分別為土體等效體積比熱容（J/m3/K）和等效導(dǎo)熱系數(shù)（W/m/K）；L為冰水相變潛熱（3.34×105J/kg）。根據(jù)顯熱容法，土體等效體積比熱容和等效導(dǎo)熱系數(shù)可以寫(xiě)為：

式中：Tf± ΔT為相變區(qū)間；Cu和λu分別為凍結(jié)溫度以上土體比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；Cf和λf分別為凍結(jié)溫度以下土體比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)；Ls為含水巖土介質(zhì)單位體積相變潛熱。

1.4 聯(lián)系方程

對(duì)于凍結(jié)區(qū)，以上質(zhì)量守恒、能量守恒兩個(gè)方程涉及溫度、體積含冰量、液態(tài)水含量3個(gè)未知量，未知量大于方程數(shù)，需要增加聯(lián)系方程。土體凍結(jié)后，未凍水的含量取決于溫度、壓力、水鹽度、礦物學(xué)、土壤比表面積和土壤表面化學(xué)成分等因素。基于已有理論和試驗(yàn)研究結(jié)果[21]，采用下式來(lái)表示土體凍結(jié)過(guò)程中的最大未凍水含量：

式中：a和b為土體試驗(yàn)參數(shù)。體積液態(tài)水含量和含冰量可通過(guò)等效體積含水量和溫度確定：

式中：Tf為土體凍結(jié)溫度(℃)。已有研究表明，土體的凍結(jié)溫度并不是一個(gè)定值，并且只有土體中的液態(tài)水大于最大未凍水含量時(shí)才會(huì)有冰生成。

2 數(shù)值計(jì)算模型及邊界條件

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

以高海拔多年凍土區(qū)某渠道為研究對(duì)象，工程區(qū)平均海拔4 500 m以上，區(qū)域多年平均氣溫為?5.1 ℃，年平均降水量313.8 mm，屬于大片連續(xù)多年凍土區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探及相關(guān)資料，區(qū)域內(nèi)活動(dòng)層厚度（季節(jié)融化層深度）在2~3 m，巖性大部分為含礫砂土及礫砂，呈散體狀。多年凍土含冰量特征以富冰凍土為主，局部為飽冰-含土冰層，多分布于多年凍土上限至5 m深度范圍。

考慮到渠道結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，以渠道中心線為對(duì)稱軸，取渠道結(jié)構(gòu)一半建立物理模型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘查結(jié)果和渠道設(shè)計(jì)方案，渠基土自上而下簡(jiǎn)化為3層，即砂礫土、粉質(zhì)黏土和強(qiáng)風(fēng)化泥巖，建立數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。圖1中，渠道底面寬度為25 m，渠道邊坡按1∶3放坡，坡長(zhǎng)15 m，渠內(nèi)水深依據(jù)目前實(shí)測(cè)水深設(shè)置為1 m。考慮到渠道工程沿水流方向包括結(jié)構(gòu)尺寸及氣溫和水溫差異性不大，渠道地基長(zhǎng)期熱狀況的模擬可以簡(jiǎn)化為二維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算問(wèn)題。

圖1 渠道物理模型（單位：m）Fig. 1 Physical model of the canal (unit: m)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔巖芯實(shí)測(cè)干密度和含水量，以及室內(nèi)凍土熱物理參數(shù)研究結(jié)果[21-22, 26-27]，表1給出了3層土體的熱物理參數(shù)。

表1 土體熱物理參數(shù)Tab. 1 Physical-thermal parameters of soil layers

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘查和多年凍土地溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，渠道沿線多年凍土地溫分布差異顯著，10~15 m深度年平均溫度（TMAGT）最高為?0.3 ℃，最低可達(dá)?1.5 ℃。依據(jù)《青藏鐵路多年凍土勘測(cè)暫行規(guī)定》中關(guān)于凍土含冰量的劃分，渠道沿線凍土體積含冰量（iv）情況則包括少冰（iv≤10%）、多冰（10%

表2 不同含冰類型土的熱物理參數(shù)Tab. 2 Physical-thermal parameters of frozen soils with different ice contents

表3 不同含冰類型土的視比熱容Tab. 3 Apparent specific heat of frozen soils with different ice contents 單位：J·kg?1·℃?1

2.2 邊界條件

為考慮氣候變暖影響，收集整理了距工程區(qū)最近氣象站數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，自1961年至2018年期間工程區(qū)氣候呈現(xiàn)顯著的暖濕化趨勢(shì)，氣溫上升速率為0.33 ℃/(10 a)。根據(jù)附面層理論、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和工程區(qū)氣溫上升速率，將數(shù)值模型中邊界LC和CE設(shè)置為天然地表溫度邊界：

從實(shí)際傳熱過(guò)程看，渠道過(guò)水截面部分為第三類對(duì)流換熱邊界。然而，受限于邊界對(duì)流換系數(shù)選取困難，目前相關(guān)模擬研究中，常常以實(shí)測(cè)水體溫度作為邊界條件，即采用第一類邊界，在簡(jiǎn)化問(wèn)題的同時(shí)確保計(jì)算結(jié)果的可靠性[28]。為此，本文在渠道過(guò)水截面部分采用第一類邊界條件。已有研究表明，湖泊水體溫度與環(huán)境氣溫存在良好的線性關(guān)系[29]：

式中：Tw(t)、Ta(t)為同一時(shí)間尺度上的水溫和氣溫；A和B為常數(shù)。

根據(jù)林戰(zhàn)舉等[30]對(duì)工程附近區(qū)域多個(gè)湖泊的實(shí)際監(jiān)測(cè)水溫和氣象站氣溫?cái)?shù)據(jù)，可確定式（13）中的A、B值。

在不考慮地下水輸入、人工熱輸入和防風(fēng)設(shè)置等因素影響時(shí)，同一地區(qū)A、B值差異不大[29]。因此，根據(jù)工程區(qū)氣象站氣溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并考慮區(qū)域氣溫升溫速率，可將邊界AB和BL設(shè)定為渠道水溫邊界：

模型中KG為對(duì)稱邊界，EF為絕熱邊界。底邊GF為熱流邊界，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫所得該深度地溫梯度和土層熱物理參數(shù)確定熱流值為0.03 W/m2。

渠道施工過(guò)程中，淺層土體的開(kāi)挖導(dǎo)致下伏多年凍土直接暴露在空氣中，勢(shì)必對(duì)多年凍土的熱狀況產(chǎn)生一定影響。然而，相較于后期長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程，施工過(guò)程持續(xù)時(shí)間短，且所產(chǎn)生的熱擾動(dòng)相對(duì)較小，因此在本文模擬預(yù)測(cè)中未考慮施工開(kāi)挖過(guò)程對(duì)下伏多年凍土的熱影響。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 模型驗(yàn)證

圖2給出了渠道開(kāi)挖1年后天然地面不同深度地溫的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比情況。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，天然地面凍土上限保持在2.1 m左右。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，最大季節(jié)融化深度時(shí)的多年凍土上限同樣在2.1 m左右，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果接近。自天然地面以下15 m深度處，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果均顯示多年凍土地溫為?0.3 ℃。從兩者的對(duì)比看，本文數(shù)學(xué)模型及所采用的熱物理參數(shù)和邊界條件能夠較好地反映該地區(qū)多年凍土熱狀況，包括活動(dòng)層厚度和下伏多年凍土地溫均表現(xiàn)出較好的一致性。但從活動(dòng)層范圍內(nèi)及多年凍土頂板附近的地溫對(duì)比看，模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果仍存在一定的差異，這些差異與數(shù)值模型中土層的簡(jiǎn)化及實(shí)測(cè)過(guò)程中測(cè)點(diǎn)深度的確定有關(guān)。

圖2 開(kāi)挖1年后天然場(chǎng)地不同深度地溫實(shí)測(cè)與模擬對(duì)比Fig. 2 Field observed and numerical simulated temperature profiles at natural ground after the canal construction

3.2 不同年平均地溫條件下渠道地基溫度場(chǎng)

圖3給出了少冰凍土條件下，年平均地溫分別為?0.5、?1.0和?1.5 ℃時(shí)渠道開(kāi)挖后第50年10月15日地基溫度場(chǎng)分布云圖。從圖3（a）可以看出，當(dāng)年平均地溫為?0.5 ℃時(shí)，開(kāi)挖后第50年10月15日天然地表處的最大季節(jié)融化深度為3.5 m，相較于初始最大季節(jié)融化深度2.1 m，增加了約1.5 m，年均增加速率為3 cm/a。這一量值與目前青藏高原活動(dòng)層增加速率監(jiān)測(cè)結(jié)果接近[31]。當(dāng)年平均地溫為?1.0、?1.5 ℃時(shí)，兩者的最大季節(jié)融化深度增速較年平均地溫為?0.5 ℃條件下小，反映了氣候變暖條件下不同年平均地溫多年凍土退化響應(yīng)的差異[32]。

圖3 不同年平均地溫條件下渠道開(kāi)挖后第50年10月15日地基溫度場(chǎng)Fig. 3 Temperature fields of permafrost subgrades with different MAGTs on October 15, 50 years after the canal construction

從圖3可以看出，受渠道過(guò)流影響，50年后渠底處、坡腳處及天然地面靠水渠的部分下部30 m范圍內(nèi)多年凍土已經(jīng)退化，反映了渠道強(qiáng)烈的熱侵蝕作用，且這種熱侵蝕在垂向和水平向均比較顯著。多年凍土的退化勢(shì)必引發(fā)渠道底部和岸坡的差異融沉變形，導(dǎo)致渠道結(jié)構(gòu)和形態(tài)的變化。不同年平均地溫條件下，渠道的側(cè)向熱侵蝕存在顯著差異，當(dāng)多年凍土地溫為?0.5 ℃時(shí)，自岸坡向外約10 m范圍內(nèi)下部多年凍土已退化，而當(dāng)多年凍土地溫為?1.0和?1.5 ℃，岸坡下部仍有多年凍土分布。這一結(jié)果體現(xiàn)了不同年平均地溫多年凍土熱惰性的顯著差異?？拷榔履_部分多年凍土的退化和岸坡下顯著的溫度梯度，可導(dǎo)致岸坡的滑塌和失穩(wěn)，并由此引發(fā)渠道形態(tài)的改變。

3.3 不同含冰量條件下渠道地基溫度場(chǎng)

圖4給出了年平均地溫為?0.5 ℃時(shí)，3種含冰量條件下渠道開(kāi)挖后第50年10月15日地基溫度場(chǎng)分布云圖。可以看出，3種含冰量條件下渠道地基溫度場(chǎng)差異顯著。當(dāng)渠道下部多年凍土含冰量為少冰時(shí)，渠道下部以及自坡肩向外約10 m范圍內(nèi)多年凍土已經(jīng)退化。隨著含冰量的增加，多年凍土熱惰性顯著增加，因此其退化速率明顯減小。與不同地溫條件下的對(duì)比（圖3）可以發(fā)現(xiàn)，相較于地溫，多年凍土的含冰量對(duì)氣候變暖和人為擾動(dòng)背景下多年凍土退化響應(yīng)影響更加顯著。這也反映了含冰量作為凍土工程地質(zhì)條件的關(guān)鍵指標(biāo)，決定著凍土工程地基熱力穩(wěn)定性和基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)物長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

圖4 不同含冰量下渠道開(kāi)挖后第50年10月15日地基溫度場(chǎng)Fig. 4 Temperature fields of permafrost subgrades with different ice contents on October 15 of the 50th year after the canal construction

當(dāng)多年凍土含冰量為多冰和富冰時(shí)，渠道運(yùn)營(yíng)50年后其下部仍有多年凍土存在。但受氣候變暖和過(guò)水影響，其季節(jié)融化深度顯著增加，渠道下部形成了一個(gè)“鍋底狀”的融化盤(pán)。當(dāng)多年凍土為多冰凍土?xí)r，渠道中心鍋底狀融化盤(pán)深度可達(dá)渠底以下約20 m，而當(dāng)多年凍土為富冰凍土?xí)r，融化盤(pán)深度為渠底以下約15 m。含冰量不同時(shí)，岸坡外多年凍土的退化過(guò)程也存在明顯不同，包括季節(jié)融化深度和多年凍土上限以下地溫分布，含冰量越高，其季節(jié)融化深度越小，隨時(shí)間增加過(guò)程越緩慢。

3.4 渠道典型位置地溫狀況時(shí)間演化過(guò)程

從以上分析可以看出，在氣候變暖和渠道過(guò)水影響下，渠道不同位置多年凍土的退化過(guò)程和速率明顯不同。為分析渠道不同位置地溫狀況時(shí)間演化過(guò)程，以年平均地溫為?0.5 ℃，含冰量為多冰凍土為例，圖5為20年內(nèi)渠道中心、坡腳、坡肩和天然地面等4個(gè)位置地溫-深度曲線。為節(jié)約篇幅，圖5中僅給出了渠道運(yùn)營(yíng)第5、10、15和20年10月15日最大融化深度時(shí)的地溫-深度曲線。

圖5 渠道開(kāi)挖后20年內(nèi)渠道不同位置地溫曲線Fig. 5 Temperature profiles at different locations within 20 years after the canal construction

從圖5（a）可以看出，渠道中心受渠道內(nèi)流動(dòng)水體影響較大，第5、10、15和20年10月15日最大融化深度分別為5.2、8.1、10.2和12.2 m，年均增加速率為0.4~0.6 m/a。同時(shí)可以看出，最大季節(jié)融化深度的增加主要發(fā)生在前5年，這與渠道開(kāi)挖的直接影響密切相關(guān)。整體來(lái)看，在渠道開(kāi)挖和過(guò)流影響下，渠道下部多年凍土主要表現(xiàn)為自上而下的退化過(guò)程，即多年凍土上限下移顯著而下部多年凍土地溫升溫不顯著，這是由于在?0.5 ℃地溫條件下，多年凍土已經(jīng)接近劇烈相變區(qū)。相對(duì)于渠中，坡腳的多年凍土退化速率較慢，但其退化模式基本相同（圖5（b））。岸坡和天然場(chǎng)地多年凍土的退化主要受氣候變暖影響（圖5（c）和（d）），尤其在前20年內(nèi)，渠道內(nèi)過(guò)水側(cè)向熱侵蝕尚未發(fā)展到岸坡位置?？梢钥闯?，僅在氣候變暖影響下，兩個(gè)位置的多年凍土退化相對(duì)緩慢，且退化模式均表現(xiàn)為多年凍土上限的下移和上限以下一定深度范圍內(nèi)多年凍土的升溫。通過(guò)4個(gè)位置地溫的對(duì)比，可以很好地反映開(kāi)挖過(guò)水因素和氣候變暖因素作用下多年凍土退化過(guò)程的差異性。

4 結(jié) 語(yǔ)

在多年凍土區(qū)，與道路、房建、輸油氣管道等工程有所不同，水利工程涉及大量的挖方工程和流動(dòng)水體，因此對(duì)下伏多年凍土的擾動(dòng)更加顯著。以高海拔多年凍土區(qū)某渠道工程為例，利用數(shù)值模擬手段，研究了過(guò)水和氣候變暖對(duì)下部多年凍土熱狀況的影響，并考慮多年凍土地溫、含冰量?jī)蓚€(gè)重要因素，模擬分析了氣候變暖背景下渠道下部多年凍土地溫的時(shí)間演化過(guò)程，主要結(jié)論如下：

（1）在氣候變暖背景下，天然場(chǎng)地多年凍土的退化主要表現(xiàn)為活動(dòng)層厚度增加和多年凍土地溫升高。以區(qū)域歷史氣象增溫率模擬氣候變暖過(guò)程，當(dāng)多年凍土年平均地溫為?0.5 ℃，含冰量為少冰時(shí)，天然場(chǎng)地活動(dòng)層年均增加速率為3 cm/a，這一量值與目前實(shí)測(cè)青藏高原活動(dòng)層增加速率接近。

（2）受渠道開(kāi)挖和過(guò)水影響，渠道底部、坡腳及岸坡位置多年凍土退化顯著。渠道運(yùn)營(yíng)50年后，當(dāng)多年凍土含冰量為少冰時(shí)，?0.5、?1.0和?1.5 ℃三種多年凍土地溫條件下，渠底、坡腳及天然地面靠水渠的部分下部30m范圍內(nèi)多年凍土已經(jīng)退化，反映了渠道在垂向和水平向強(qiáng)烈的熱侵蝕作用。不同年平均地溫條件下，多年凍土熱惰性不同，因此渠道的側(cè)向熱侵蝕存在一定差異。當(dāng)多年凍土地溫為?0.5 ℃時(shí)，自坡肩向外約9.8 m范圍內(nèi)下部多年凍土已退化；而當(dāng)多年凍土地溫為?1.0和?1.5 ℃，岸坡下部仍有多年凍土分布。

（3）含冰量是影響多年凍土退化速率的重要因素。渠道下部多年凍土含冰量由少冰增加至多冰、富冰時(shí)，其熱惰性顯著增加，氣候變暖和過(guò)水雙重作用下多年凍土退化速率明顯減小。即使在年平均地溫為?0.5 ℃時(shí)，渠道運(yùn)營(yíng)50年后其下部仍有多年凍土存在。但是，受氣候變暖和過(guò)水雙重影響，渠道下部季節(jié)融化深度顯著增加，形成了一個(gè)“鍋底狀”的融化盤(pán)，融化盤(pán)大小與含冰量有關(guān)。

（4）渠底、坡腳、岸坡及天然場(chǎng)地多年凍土地溫-深度的時(shí)間變化過(guò)程對(duì)比表明，在過(guò)水和氣候變暖雙重作用下，渠底和坡腳多年凍土的退化主要為多年凍土上限的快速下移，即自上而下的退化模式；而在氣候變暖單獨(dú)作用下，岸坡和天然場(chǎng)地多年凍土的退化表現(xiàn)為活動(dòng)層緩慢下移的同時(shí)，上限以下一定升幅范圍內(nèi)多年凍土的緩慢升溫。