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水 利 学 报

２０２３年 ９月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ９期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０９ － １１１１ － １１

考虑辐照影响的寒区堤防冻深预测模型试验研究

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田 雨 １，２ ，汪恩良 ，谢崇宝 ，任志凤 ，于 俊 ２
（１．中国灌溉排水发展中心，北京 １０００３２；２．东北农业大学 水利与土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 １５００３０）

摘要：寒区堤防冻结深度的变化是堤防建设和确保河堤正常运行时需考虑的重要因素。为探究太阳辐射对寒区堤
防冻土冻深变化的影响，本文借助室内设计的太阳辐射模拟器开展物理边坡模型试验，研究了温度、未冻水含量
及太阳辐射热变化与堤防冻结深度发展的关联性，并运用 ＢＰ神经网络和基于鲸鱼优化算法的 ＢＰ神经网络两种
方法，建立冻结曲线和融化曲线预测模型。之后与 Ｓｔｅｐｈｅｎ公式和改进 Ｓｔｅｐｈｅｎ公式对比分析了 ４种预测方法的优
劣。结果表明，基于鲸鱼优化算法的 ＢＰ神经网络并考虑辐照影响的寒区堤防冻深发展预测模型预测效果更好，
能有效解决冻土冻结深度与各影响因素间复杂的非线性关系，可为寒区堤防设计和维护提供参考。
关键词：寒区；堤防；冻结深度；辐照因素；预测模型
＋
中图分类号：ＴＵ１１１．２５ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３０１０４
文献标识码：Ａ
１ 研究背景

冻土是一种由固体土颗粒、冰、液态水和气体四种基本成分所组成的非均质、各向异性的多相复
合体。黑龙江省分布着连续多年冻土、岛状多年冻土及季节性冻土，其最大季节冻结深度均可达 １ｍ
以上 ［１］ 。季节更替导致土体温度变化，进而引起寒区冻土冻结深度的季节性改变，土层产生沉降，致
使堤岸崩塌破环 ［２］ 。在冻土区修建建筑物，须保证其能够承受由于融沉作用产生的一定程度上的变
形。在堤防工程设计中，冻土冻结深度是设计阶段必须要考虑的基础性重要指标 ［３］ 。因此，根据当地
获得的气象条件，预测冻土活动层厚度或者冻结深度变化情况，为当地水工建筑物的设计提供理论依
据是确有必要的。
季节性冻土的冻结深度受温度、土体含水量、土质等多种因素影响 ［４ － ５］ ，计算冻结深度时多用
［６］
［９ － １０］
Ｋｕｄｒｙａｖｔｓｅｖ 方法、Ｎｅｌｓｏｎ ［７ － ８］ 方 法和 Ｓｔｅｐｈｅｎ 方法，其 中，Ｓｔｅｐｈｅｎ方 法的 应 用 更 为 广 泛。近 年
来，国内外许多专家学者采用数值计算和模型模拟等多角度探索冻结深度的计算方法。徐!祖等 ［１１］ 将
冻结指数应 用 至 Ｓｔｅｐｈｅｎ公 式 中，并 根 据 不 同 岩 性 给 出 了 对 应 的 修 正 系 数。杜 晓 燕 等 ［１２］ 、闫 宏 业
等 ［１３］ 、夏才初等 ［１４］ 、张松等 ［１５］ 、周元辅等 ［１６］ 利用不同方法修正了冻结深度计算值，给出了多种计
算方式。上述研究大多基于当地的特殊条件和已有的经验公式，且少有考虑太阳辐射产生的影响，因
此，应用数学公式计算冻结深度仍有一定局限性。
太阳辐射是地表热量的主要来源，是影响堤防岸坡温度场的重要因素 ［１７］ ，同时也是冻土水热响应
关系函数中的重要参数。在温度、太阳辐射等多因素影响下，冻土土层呈现 “夜冻昼消” 的状态 ［１８］ 。
太阳辐射量的变化，引发温度场的变化，继而使得土壤中的热量和水分发生迁移，造成严重的冻胀
现象 ［１９］ 。

收稿日期：２０２３ － ０２ － ２４；网络首发日期：２０２３ － ０８ － １５
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０８１４．１７０９．００５．ｈｔｍｌ
基金项目：国家重点研发计划项目（２０１８ＹＦＣ０４０７３０１）
作者简介：田雨（ １９９５ － ），硕士，主要从事水工建筑物冻害防治、农田水利与节水灌溉等研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｇｐｚｘｔｙ＠１２６．ｃｏｍ
通信作者：汪恩良（１９７１ － ），博士，教授，主要从事工程冻土和水工建筑物冻害防治研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ＨＬＪＷＥＬ＠１２６．ｃｏｍ
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