Page 102 - 2023年第54卷第9期

本文以探究岸滩冻融损伤机理为目标，利用核磁共振试验仪、东北农业大学低温环境模拟实验室
开展未冻水含量测量和物理模型冻融试验，并尝试利用室内太阳辐射模拟器加入辐照因素，探索温
度、未冻水含量、热辐射量对季节性冻土冻融过程和冻结深度的影响。为扩展对冻土冻结深度的研
究，本文利用试验数据建立了基于 ＢＰ神经网络的太阳辐射影响下寒区堤防冻深预测模型，并利用鲸
鱼优化算法 ［２０］ （ＷｈａｌｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍ，ＷＯＡ）进行优化，构建出基于鲸鱼优化算法的寒区堤防
冻深预测模型，以期更全面、精准地反映实际冻土环境，为冻土地区水工建筑物设计施工运行提供基
础数据支撑。

２ 边坡模型制作与试验

２．１ 确定相似比尺 本次模型设置以黑龙江干流堤防土体为原型，模型与原型尺寸如表 １所示。由实
验室尺寸确定几何比尺为 １∶２０，温度相似比尺为 １∶１。由相似准则 ［２１］ 推得模型与原型的时间相似比
尺为 １∶４００，冻结指数比尺为 １∶４００。由 Ａ － Ｐ公式 ［２２ － ２３］ 推导所得太阳辐射总量相似比尺为 １∶１４５。
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２．２ 模型制作 根据野外实测数据及相似比尺，模型试验采用初始含水率为 ２２％，干密度为 １．５５ｇ?ｃｍ ，
坡比为 １∶３的黏性土质边坡。试验开始前，在低温模拟试验室内开展土方填筑和传感器布置。将野
外运输来的原状土处理后按照设置含水率分次加水并充分搅拌。闷土 ２４ｈ后分 １０层填充至低温环境
模拟实验室中，按照铺土、击实、刮毛循环往复进行，成型后盖 ２层保水膜防止其水分流失，并安装
太阳模拟器，布置温度、位移传感器。制作完成的边坡模型如图 １所示。图中，Ｔｍ － ｎ表示第 ｍ条温
度链上距离坡顶 ｎｃｍ的温度传感器，位移传感器布置间隔为 １０ｃｍ。模型左侧为对照组，右侧为试验
组，在同一环境中同时开展试验，试验组安装太阳辐射模拟器，二者其余条件均一致。

表 １ 模型边坡尺寸设计
冻深?ｍ 半渠顶宽度?ｍ 半渠底宽度?ｍ 竖向高度?ｍ 水平长度?ｍ 坡度
原型 ３．６ ４．０ ３４．０ １０．０ ８０ １∶３
模型 ０．１８ ０．２ １．７ ０．５ ４．０ １∶３

图 １ 边坡模型及传感器布置（单位：ｃｍ）

２．３ 试验仪器 本次模型试验在东北农业大学水利与土木工程学院低温环境模拟实验室内完成。试验
所用室内太阳辐射模拟器是汪恩良等 ［２４］ 通过 ４种不同光源的光谱特征，将其与野外的太阳光谱、色温
和能量的分 布 进 行 比 较，采 用 更 为 接 近 的 长 弧 氙 灯 组 成 的。按 照 《太 阳 模 拟 器 规 范 》（ ＪＪＦ１６１５—
２０１７），该室内太阳辐射模拟器达到 Ｂ级太阳辐射模拟器要求，可以进行辐射环境的仿真。模拟器利
用灯光照射模拟太阳，通过定时开闭模拟昼夜变化。共布置有 ９只灯，光源距离坡面 ８０ｃｍ，按照 ３ × ３
矩阵布置，保证其辐照均匀度。边坡内安装有高精度的热敏电阻式温度传感器（测量精度为±０．０２℃）

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