混凝土衬砌渠道表面温度分布研究

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发布时间：2021-09-17

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混凝土衬砌渠道表面温度分布研究
马瑞忠
(新疆塔里木河流域阿克苏管理局新疆阿克苏843000)
摘要本文从太阳热辐射角度出发，建立了渠道表面太阳能计算方法，分析了阴坡、阳坡、渠底太阳能
辐射的差异。以太热辐射计算值为基础，利用反演方法得出了混凝土衬砌渠道表面温度分布，计
算结果可用于研究渠道冻胀情况。目前，对于渠道衬砌冻胀量受太阳辐射影响的研究还不多见，
为此建立梯形渠道太阳能辐射计算模型，对研究渠道冻胀量分布具有重要意义。希望为今后渠
道冻胀研究提供参考。
关键词混凝土衬砌；渠道；太阳辐射；温度分布
中图分类号：TV882 文献标识码：A
我国季冻区渠道冻胀破坏较为严重，
使我国北方地区渠道防渗效果变差，灌溉
效率降低，制约着北方地区农业发展。
太阳辐射属于全球性清洁能源，对地
表温度场分布影响重大，全国各地气候差
异的根本原因是太阳能分布不均㈣。由于
太阳能的重要性，众多学者致力于太阳能
辐射量计算模型研究。我国北方地区多为
季节性冻土区域，冬季渠道冻胀破坏较为
严重，冻土融化后渠道防渗效果变差，灌
溉效率降低，严重制约着北方地区农业发
展口1。研究表明：渠道冻胀的主要影响因素
有土壤成分、水分含量、温度、外部载荷等
[41
。渠道冻胀水平受太阳辐射影响较大，通
常情况下：阴坡的渠道冻胀量>渠底冻胀
量>阳坡冻胀量。资料显示，某东西走向
渠道阴坡冻胀量是渠底冻胀量的1．35倍，
是阳坡冻胀量的1．8倍。
2渠道太阳辐射模型
太阳辐射是一种电磁波，包括直接辐
射和散射。受渠道走向、倾角、纬度等因素
的影响，阴坡和阳坡接受太阳辐射量区别
较大，东西走向渠道差异最大。渠道衬砌接
收的太阳辐射受：入射角、地形、海拔、云
量、混凝土材料等因素综合影响。太阳辐射
是导致地表温度分布不均的直接因素，由
于阴坡和阳坡所受太阳辐射强度不同，因
此两个边坡的冻深差距较大，温度场分布
极不均匀。为了预测渠道温度变化，建立梯
形渠道边坡太阳能辐射量计算模型，根据
入射角、光线夹角、太阳能辐射量等因素计
算边坡接收的总太阳能辐射量。国内外学
者已经提出了许多关于太阳辐射的经验计
算式，但这些模型中很少有针对水利工程
的。综合研究现状可知，影响渠道表面温
度分布的主要因素有：太阳辐射强度、入射
角、光照时间、环境温度、环境风速、土体性
能等。本文利用MATLAB软件，建立了渠道
太阳辐射模型，得出了渠道表明太阳能辐
射量的计算方法。
由于日地距离很远，近似认为太阳光
束是平行人射的，假设太阳光束的入射角
为i，则太阳光倾斜照射在平面上的光伏强
度为：I．=Isini。太阳辐射到达渠道衬砌的总
辐射量为：G,=Go(I。+I21。梯形渠道结构较为
简单，将其简化为平面进行二维研究，由于
阴坡对太阳辐射具有遮挡，因此随着太阳
高度角不断变化，渠道表面的太阳能辐
射量也一直在变化gl。
太阳辐射计算式为：
当O<a<arctan—m tar ~+h时，
tanot+ tan／ 3
!业 (1)
当a t ca≤JB时，
L~=mtanmanfl-h(tana+tanf1)+
htanmar~cotfl (2)
当Ⅱ>口时，
￡ m+
siI1
(3)
式中：为渠道断面上太阳能辐射长
度；为太阳高度角；B为渠道坡角；m为
渠道底部宽度；h为渠道深度。
根据计算模型，通过计算渠道断面上
太阳能辐射长度就可得出渠道太阳辐射情
况，运用MATLAB软件建立梯形渠道太阳
能辐射量计算成型，计算周期根据太阳高
度角确定，当太阳东升西落时，C05a刚
好从1下降到0，随后又上升到1。MATLAB
程序流程见图1。
图1 MATLAB程序流程
3渠道表面温度分布
本文选择研究对象原型是塔里木河流
域阿克苏总干渠⋯U’形渠观测段，梯形渠道
坡度为1：1．5，渠底长度2m，坡底长度
3．75m，渠道深度为2．6m，冻结期为每年12
月至次年2月。该渠道各部位月平均温度
见表1。
表1 渠道各部位月平均温度
部位 l2月 1月 2月
阴坡一4．92℃ 一4．85℃ 一O．72℃
渠底一4．56℃ 一5．22℃ 一1．15℃
阳坡一3．55℃ -4．75℃ 一0．54oC
将太阳与地球的距离视为无穷远，认
为照射在渠道衬砌各部位的太阳光束是平
行的。由于太阳光线时刻变化，因此各时刻
的辐射量也不同，选择l2月15日、1月15
日和2月15日作为研究对象，计算3个研
究日的辐射总量，计算结果见图2。通过计
算结果看，三个研究日的辐射总量曲线基
本一致，阳坡的辐射总量最大，阴坡辐射总
量最小。从曲线斜率看，阴坡斜率为0，