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）

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）

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。

混凝土衬砌；渠道；太阳辐射；温度分布

1　引言

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［1-2］。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［3］。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［4］。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［5］。

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［6］。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入射的，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：In=Isini。太阳辐射到达渠道衬砌的总辐射量为：Gt=G0（I1+I2）。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α不断变化，渠道表面的太阳能辐射量也一直在变化［7］。

太阳辐射计算式为：

式中：Ln为渠道断面上太阳能辐射长度；α为太阳高度角；β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α确定，当太阳东升西落时，cosα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

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12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，阳坡斜率较小，而渠底斜率最大，说明阴坡对太阳辐射具有遮挡作用，该处的总辐射量仅为阳坡的1/3。对于阳坡，2月15日的太阳照射角度为70°，几乎为垂直照射；针对阴坡，2月15日的太阳照射角度仅为10°，照射时间很短。2月15日阳坡的照射时间为10h，阴坡为2h，渠底为4h，这就直接导致了各部位吸收太阳辐射不均。

图2　研究日的辐射总量分布

渠道自身对太阳辐射也具有一定遮挡性，阳坡的遮挡性最小，由于渠道为东西走向，阳坡朝南，因此阳坡的太阳光束几乎为垂直入射，其日总辐射量最大，可达5.6MJ/m2。由于渠底受到阴坡的遮蔽，光束与渠底衬砌板的夹角为30°左右，渠底总辐射日总量自阳坡至阴坡直线下降，平均辐射量为3.4MJ/m2。阴坡被自身遮蔽，接收到的辐射总量较小，仅为1.6MJ/m2。从照射时间看，阴坡的光照时间仅为110h，阳坡的光照时间为650h，渠底的光照时间为300h，渠道各部分照射时间的差异主要是自身遮挡导致的。为了进一步分析研究日渠道衬砌温度分布，表2给出了3个研究日不同时段的环境温度。

综合3个典型日辐射总量测量值来看，阳坡的辐射总量比阴坡和渠底大的多。虽然阴坡的照射时间小于渠底的照射时间，但是渠底的散射量较大，且渠底当量长度比阴坡、阳坡小的多，因此渠底吸收的辐射量小于阴坡。从表2来看，渠道月平均温度测量结果为：阳坡最大，阴坡次之，渠底最小。利用太阳辐射总量分布和环境温度，对梯形混凝土衬砌渠道进行反演计算，得到3个研究日的温度分布情况［8］。渠道衬砌接收的太阳辐射总量由MATLAB程序计算得出，图3和图4分别给出了12月15日和2月15日渠道阴坡、阳坡、渠道的温度分布情况。

图3　12月15日渠道温度分布

图4　2月15日渠道温度分布

从计算结果看，渠道各部分温度呈现白天高夜间低的特性，但是夜间渠底、阴坡、阳坡三条曲线重合，这与现场测量结果并不相同，究其原因是计算中忽略了混凝土吸收率和储热能力。12月15日表示刚刚进入冻结期，白天的阴坡、阳坡、渠底温度均能达到零上；2月15日表示冻结期结束，因此白天的阴坡、阳坡、渠底温度均能达到零上；但1月15日气温很低，土壤冻结较为严重，因此阴坡温度全体都在0℃以下，阳坡温度在下午2点前后可以达到零上。

由图3和图4可知，早上7点左右，各坡面开始吸收太阳辐射，表面温度开始升高。对比发现，阳坡表面温度上升较快，阴坡的温度上升速度最慢。由于大部分时间阴坡只能接收到阳坡和渠底的散射，因此温度一直较低。在午后2点左右，渠道温度达到当日最大值，比环境最高气温滞后1个小时。随后，太阳辐射量逐渐减小，渠道温度开始下降。

研究表明，混凝土衬砌渠道表面温度分布与当地环境温度变化基本一致，夜间降低白天上升，当早上7点后受到太阳辐射时，渠道各部分温度明显上升，但3条线并没有立刻分离；在10点左右，阳坡受到的太阳辐射更多，因此温度上升较快，在这一时刻3条线开始分离；混凝土衬砌板具有温度滞后性，在太阳辐射出现最大值后2个小时，衬砌板表面温度才达到最大值。渠道冻胀水平受太阳辐射影响较大，阴坡的渠道冻胀量＞渠底冻胀量＞阳坡冻胀量。

表2　　研究日不同时段的环境温度（℃）

4　结语

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。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。以新疆阿克苏干渠为例，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。研究表明：阴坡对太阳辐射具有遮挡作用，该处的总辐射量仅为阳坡的1/3；混凝土衬砌渠道表面温度分布与当地环境温度变化基本一致；混凝土衬砌板具有温度滞后性。陕西水利

［1］孙杲辰，王正中，李爽，等反演梯形渠道砼衬砌体表面温度的太阳辐射模型［J］.长江科学院院报，2013，06:90-94.

［2］闫长城，王正中，刘旭东，等.季节性冻土区玻璃钢防渗渠道抗冻胀性能初探 ［J］.人民黄河，2011，03:140-142.

［3］李鹏，赵云，申世吉.大安灌区工程渠道衬砌型式的研究 ［J］.水利规划与设计，2014，04: 92-94+98.

［4］冉忠明.北方地区渠道衬砌工程抗冻胀设计及建议［J］.内蒙古水利，2014，02:151-152.

［5］徐杰.新疆地区渠道衬砌混疑土抗冻胀设计［J］.陕西水利，2012，02:92-94.

［6］盛岩，王丰.严寒地区渠道破坏类型分析及处理措施研究 ［J］.水利规划与设计，2015，07: 44-46.

［7］王引田.汾河灌区渠道防渗衬砌结构的比选［J］.水利技术监督，2015，04:67-71.

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（责任编辑：唐红云）

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