青藏工程走廊楚玛尔河高平原区路基边界温度特征

基于青藏高原楚玛尔河地区青藏公路里程K2968+200断面浅层地温监测数据（地表下5 cm）,拟合了边界温度的回归方程,分析了公路路基及铁路路基两侧表层温度的特征.同时对路基坡面温度和理论辐射值的相关性进行了分析.结果表明：边界温度回归方程拟合程度较高,可作为冻土路基数值模拟温度边界选取的参考依据;监测断面公路和铁路路基都表现出显著的阴阳坡差异,公路左右坡面冬季温度差异达11.49℃,年均值差4.77℃,冬季铁路路基左右坡脚温度差异达到5.34℃,年均值差3.33℃,天然地表与气温的差值为5.2℃;根据融化与冻结n系数,位于阳坡一侧的冻结n系数较低且融化n系数大,表现为吸热;阴坡一侧冻结n系数较大,整体呈现出放热效应;路基边坡太阳理论辐射与温度变化趋势基本一致.     

高海拔多年冻土区坡向对坡面近地表水热状态的影响

高海拔多年冻土区坡向差异可引起两坡面的温度场不对称,进而造成基础设施的不均匀沉陷和纵向裂缝。目前坡向效应的研究主要围绕青藏铁路东-西两个坡面而开展的监测与模拟研究,但高原线性工程走向可能涉及不同的方向,其他走向坡面的水热差异状态研究不足。本研究在青藏高原花石峡冻土观测基地建设了一个具有八个坡向的监测实体(称：八棱台),在八个坡面和顶面近地表安装土壤温度、含水量传感器,监测研究坡向差异对坡面近地表水热状态的影响。结果表明：东-西相对坡面近地表温度差异最小,月平均温差为0.1～2.3℃,最大温差出现在5月;而南-北相对坡面近地表温度差异最大,月平均温差为1.3～7.7℃,最大温差出现在2月。其余两个相对坡面近地表温差介于东-西相对坡面和南-北相对坡面之间,其中东北-西南相对坡面温差小于西北-东南相对坡面。仅从近地表坡面温度差异来看,高海拔多年冻土区线性工程南-北走向热稳定性较好,其次是西北-东南向,坡向效应不显著而温度场对称性较好。同样八个坡面近地表土壤体积含水量总体差异为东北-西南相对坡面差异最小,融化期月平均体积含水量差最大为0.06 m³·m^-3     

青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式(II):无云大气条件下模拟试验结果分析

冻土层的变化与地-气交接面的能量交换过程有直接的联系.地-气交接面的能量交换过程包含了辐射、对流、热传导三种最基本的热物理过程.利用以此为基础建立的青藏铁路沿线地表和路基表面热力学数值模式(RSTM), 将安多站的实测资料作为模式输入, 针对梯形路基与边坡朝向和坡度有关的坡面温度变化及两侧坡面温差变化的问题, 对无云大气条件下不同坡度和坡向的表面温度变化特征进行了模拟分析.结果表明, 对于就地取土修筑的路基而言, 安多段路基上表面温度在各季节都高于气温, 在夏季具有明显的高表面温度值, 尽管在夏季任何坡度和坡向的路基坡面都具有冷却效应, 但路基仍处于高温状态; 冬季路基上表面温度虽略低于0 ℃, 但路基偏南方向坡面的强烈增温效应, 使南坡表面温度远远超过冻土融化温度的临界状态, 而路基两侧坡面热效应的相反作用, 通过影响冻土层的冻融过程, 可能引起路基纵向裂缝的发生.因此, 对冻土路基采取有效的防护措施是非常必要的.用实测资料进行的检验表明, RSTM具有良好的模拟性能, 对不同防护措施下青藏铁路路基热状况的预测具有良好的应用前景.     

青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式（Ⅱ）：无云大气条件下模拟试验结果分析

冻土层的变化与地-气交接面的能量交换过程有直接的联系，地-气交接面的能量交换过程包含了辐射、对流、热传导三种最基本的热物理过程，利用以此为基础建立的青藏铁路沿线地表和路基表面热力学数值模式(RSTM)，将安多站的实测资料作为模式输入，针对梯形路基与边坡朝向和坡度有关的坡面温度变化及两侧坡面温差变化的问题，对无云大气条件下不同坡度和坡向的表面温度变化特征进行了模拟分析，结果表明，对于就地取土修筑的路基而言，安多段路基上表面温度在各季节都高于气温。在夏季具有明显的高表面温度值，尽管在夏季任何坡度和坡向的路基坡面都具有冷却效应，但路基仍处于高温状态；冬季路基上表面温度虽略低于0℃，但路基偏南方向坡面的强烈增温效应，使南坡表面温度远远超过冻土融化温度的临界状态，而路基两侧坡面热效应的相反作用，通过影响冻土层的冻融过程，可能引起路基纵向裂缝的发生。因此，对冻土路基采取有效的防护措施是非常必要的，用实测资料进行的检验表明，RSTM具有良好的模拟性能，对不同防护措施下青藏铁路路基热状况的预测具有良好的应用前景。     

块石基底路基中局部非热平衡效应研究北大核心CSCD

块石作为一种高孔隙率、大粒径的多孔介质,因其可通过调节内部冷暖季节对流方式实现多年冻土路基降温,而被广泛应用于青藏铁路工程以减弱气候变暖及工程扰动对多年冻土路基的影响。因此,精准描述块石路基结构换热机理并模拟其长期热防护效应十分重要。在一些领域内,已经证明使用局部非热平衡(LTNE)可以提升多孔介质的计算精度,但在块石结构孔隙尺度下的传热效能计算中仍较少使用。其中,多孔介质内部流固换热系数(hsf)是LTNE能量方程中重要的参数,该系数如何选取也决定着模型计算的准确性。本文以块石基底路基为例,通过数值模拟方法,将传统路基使用的局部热平衡(LTE)模型与LTNE模型的模拟结果与实测数据进行对比,并分析了不同经典hsf对块石结构换热的影响。研究结果表明,块石基底路基局部非热平衡效应明显:模拟结果显示LTNE模型中,同一时间内块石与空气温度不相等,空气与块石在夏季和冬季的最大温差高达1.54℃和0.80℃;LTNE的模拟结果与实测数据更为接近,且LTE模型的降温幅度略高于预期,二者在2 m、5 m、10 m处的年平均误差百分数分别相差6%、1%和8%;不同研究者(Achenbach、Wakao、Dixon等、Pallares等)得出的hsf在块石路基中变化趋势相近,峰值差异明显,但对块石路基下部土体温度的影响较小。     

多年冻土地区路堤热差异分析

通过对实测和计算结果的分析,揭示出冻土路堤中存在显著的横向热差异问题,指出了路基中的横向热差异是由各边界因素的横向差异引起的,路基阴坡面和阳坡面吸收热量的差异使阴坡面下冻土层厚度大于阳坡面。还分析了横向热差异对路基稳定性的影响。      

多年冻土区道路边坡热状况差异对多年冻土融化形态的影响

用数值方法模拟了在气候持续以0.02℃·a^-1速度增温下,50 a运营年限内不同走向路基的融化形态可能发生的变化趋势.计算了在砂砾路面和沥青路面下,不同高度(0~5.0 m)及不同走向(东西、东北-西南、南北、对称)路基的融化形态.结果表明:非对称热边界路基与对称热边界路基的融化形态差异很大.在呈阴阳坡的路基中,砂砾路面和沥青路面下:1)最大融化深度位置与运营时间关系不大,与路基高度、线路走向及路面类型关系密切,且最大融化深度偏离路基中线的距离与路基高度呈线性关系;2)最大融化深度与运营时间、路基高度、路面类型关系比较密切.路基较低时,最大融化深度与路基走向关系不大.路基较高时,最大融化深度与线路走向关系密切,且随着路基高度的增加、气候变暖及增温速率的增大而加剧;3)同一路基高度和线路走向下,砂砾路面的最大融化深度偏离路基中线的距离大于沥青路面的,沥青路面的最大融化深度大于砂砾路面的.相对于砂砾路面,沥青路面在一定程度上部分的抵消了阴阳坡效应,但加剧了路基下最大融化深度.     

青藏高原多年冻土区碎石护坡降温作用及效果分析

基于青藏高原北麓河多年冻土区碎石护坡路基与普通路基温度监测资料分析,结果表明:碎石层的铺设具有减小坡面年平均温度及坡面温度年较差的作用;与普通路基相比,碎石护坡在暖季主要起到隔热作用,但在冷季主要存在不利于路基散热的弊病.从路基人为冻土上限抬升状况、温度降低程度和路基变形量的差异来看,碎石护坡路基较普通路基有利于冻土路基的热稳定性.但碎石护坡调节路基内部温度场是一个长期过程,即坡面温度对多年冻土温度的影响具有滞后性,若作为青藏铁路多年冻土区补强措施使用时应慎重.     

2008年汶川大地震小鱼洞地表破裂带精细填图

5·12汶川Mw7.9级地震为罕见的、地壳尺度位移配分于多条平行断裂的板内逆冲走滑型地震。在2条北东走向、近平行的主要地表破裂间,发育北西走向的小鱼洞地表破裂。介绍了对小鱼洞北西向地表破裂的精细填图。小鱼洞地表破裂空间上位于灌县-江油与映秀-北川断裂间,全长约8km,总体走向310°,为南西盘抬升、逆冲兼具左旋走滑性质。地表破裂在南东端走向变化较大,从300~310°变为南北向,并与灌县-江油地表破裂带的磁峰段相连。小鱼洞地表破裂的垂向位错自北西往南东方向递减,北西端陡坎高度最大3.4m,南东端则小于0.2m,衰减梯度约为0.5m/km。左旋走滑位移测量点较少,集中在中段的小鱼洞镇附近,所测最大左旋走滑位移约为2.2m,一般走滑位错与同处垂直位错具有同步变化的特征。小鱼洞断裂近地表的倾角较缓,为30°±15°。结合已有地貌、地球物理和地质研究结果,提出小鱼洞断裂是向下与灌县-江油断裂交会的侧向断坡,位于映秀-北川断裂中南段间的断面倾角差异的撕裂部位,连接映秀-北川和灌县-江油断裂。在运动学上,认为小鱼洞断裂是以斜向断坡为几何形态的撕裂断裂,调节了北东走向的主断裂的运动学横向差异。小鱼洞断裂上的同震位移矢量与N70°、80°E的区域主压应力场方向匹配。这一方向与龙门山高原边界斜交。     

基于扩散波近似方程的降雨边界处理的改进EI北大核心

在降雨入渗模拟中,传统的降雨边界不能准确地反映坡面积水深度变化对坡面实际入渗率的影响。基于扩散波近似方程改进了传统的降雨边界,使得在强降雨条件下坡面积水深度动态变化可以和实际入渗率进行耦合计算,并且通过两个经典试验验证了改进边界的准确性。后将该改进边界用于工程实例计算,结果表明:(1)改进的降雨边界可以实现集中型降雨条件下流量边界与压力水头边界的实时动态转换;(2)当降雨边界为压力水头边界时,改进边界计算出的理论上坡面积水深度最深的位置出现在坡趾处;在降雨后期坡面退水阶段,积水深度可忽略不计,理论上积水深度最深的位置出现在平坦坡面与陡峭坡面的交汇处。     

通风路基通风管管内空气流动特性研究

基于青藏高速公路试验工程的实测资料,利用数值模拟系统分析了通风路基通风管内的空气流动特性和变化规律.研究表明,当外界环境风速一定时,通风管内不同区域流动特征显著不同,表现为较为明显的三段性：在入口扰动区段,管内空气紊流强度最大;中部为完全湍流区,紊流强度最弱;出口射流影响区的紊流强度介于入口扰动区和完全湍流区之间.随着外界环境风速的增加,管内空气流速相对环境风速增加的量值随之增加,总体呈现非线性快速增加的趋势;入口扰动响应的长度和紊流强度增加最显著;尾部射流影响区由于受到空气流动惯性等因素影响,其长度以非线性加速减小,其空气运动轨迹的振动幅度以非线性加速提高.管内各区域空气流动特性的不同是造成通风管不同部位局部换热量差异的根本原因,这些流动特性的存在进一步叠加,或是导致通风管路基阴阳坡效应的重要因素之一.     

青藏铁路沿线多年冻土分布特征及其对环境变化的响应

针对青藏高原特殊的自然气候条件,按照地形、地貌把青藏铁路沿线多年冻土分为15个区段,并分别介绍了各个区段多年冻土特征. 结果表明：在外界环境变化,包括全球气候变暖及工程活动的双重效应下,青藏铁路沿线多年冻土及其存在状态发生了极大变化,这些变化主要包括年平均气温升高、多年冻土退化、热融灾害增加、寒区工程病害不断加剧等. 多年冻土及其存在状态发生变化不但导致生态环境恶化,而且对青藏铁路沿寒区工程的安全运营、维护及发展提出新的挑战.     

青藏铁路路基表面太阳总辐射和温度反演方法

通过对“青藏铁路乌丽垭口大桥段不同走向路基表面热状况观测试验”资料的分析，改进了已有的青藏铁路边坡表面上的太阳总辐射和表面温度反演方法，并利用中日合作“青藏高原能量水分循环试验”（GAME Tibet）沿青藏公路长时间序列地面观测资料，建立了地理位置和海拔高度与反演系数之间的统计关系，将该反演方法推广到青藏铁路全线。     

高海拔多年冻土区路基工程行为对低温多年冻土长期影响的监测研究

青藏铁路路基创造性采用了主动冷却路基的设计理念修建而成,目前铁路已经安全运营超过10年。青藏铁路路基修筑在多年冻土之上,路基下部冻土温度变化是衡量路基是否稳定的关键因素。基于长期（2008—2019年）地温观测资料,对昆仑山垭口南坡青藏铁路K980+000低温多年冻土区块石路基坡脚至坡脚外30 m范围内的冻土上限变化、年际地温变化、季节性地温变化进行分析,研究了路基工程行为对低温多年冻土的长期影响机制。结果表明：冻土地温不断升高,冻土上限逐年下移;与天然孔比较,路基坡脚处地温增温幅度反而较小,主要可能受块石路基冷却效应的影响;冷季与暖季呈现出不对称的增温趋势。冻土路基普遍增温的趋势仍然存在,出于对多年冻土的保护与保证工程稳定性的考虑,应尽量采用冷却路基的思想修建路基。同时,应加强对路基的监测,分析长期增温过程后路基稳定性变化,并对路基下部冻土的变化做出定量研究。     

青藏高原多年冻土地区公路路基变形

通过对现场实体工程的长期监测资料和路基破坏机理分析研究,使我们对沥青路面对多年冻土的严重影响,导致多年冻土的升温与退化,使路基产生较严重的不均匀下沉变形,及其它所引起的一系列路基病害问题的发生发展过程有了较为系统和深刻认识,取得了大量现场实测资料及研究成果.讨论了高温多年冻土地区冻土路基的变形特征,以及冻土路基变形与工程地质条件的关系,给出了路基随地温波动变化而发生的变形过程。     

保温板在内蒙多年冻土区道路工程中的应用

根据博—牙高速沿线气象工程地质资料、观测资料、设计资料,借助有限元软件构建了路基温度场数值计算模型,着重对不同路基填筑高度条件下XPS板对温度场的影响进行了研究。研究发现:路基填筑高度的增加和XPS保温板的应用对冻土都起到了积极的保护作用,相同路堤填筑高度下,道路运营到第20年时,XPS保温板路基多年冻土温度比碎石路基降低了约0.19℃;XPS保温板的存在使得冻土上限上移更加明显,相同路基高度下,冻土上限平均抬升量约为1.23 m,在规范规定年限内,XPS保温板路基的冻土上限均位于换填碎石中;但XPS保温板的存在加剧了阴阳坡效应的发展,综合考虑,在本段落若采用碎石路堤建议路堤高度应保持在3 m以上;若采用XPS保温板路基,建议路堤高度不超过2 m。      

青藏铁路填土路基热-力耦合离散元研究

多年冻土是含有冰的特殊土体,在自然环境变化及工程扰动下易发生冻胀融沉变形,严重威胁着青藏高原工程建筑物的安全稳定,特别对青藏铁路的畅通运营提出了严峻挑战。以青藏铁路五道梁地区路基断面为研究对象,采用颗粒离散单元法,通过建立热-力离散元计算模型,对路基的温度场和变形进行了计算和预测。结果表明：离散单元法克服了有限元方法无法模拟颗粒间导热与接触粘结作用的瓶颈,能够从微观层面阐释宏观变化,较为真实地反映冻土的导热和力学变形;离散单元法数值计算分析发现,随着运营时间的增加,路基存在冻土退化问题,而且路基中颗粒间热交换复杂,在0 ℃等温线区域和路基坡脚处,颗粒间相互作用更为突出。热-力耦合离散元为冻土工程研究提供了新思路,可更好地为寒区工程服务。     

Engineering geological characteristics and processes of permafrost along the Qinghai–Xizang (Tibet) Highway

Engineering geological problems of thaw-settlement and frost-heave occur frequently along the Qinghai–Xizang (Tibet) Highway (QXH) line and produce an adverse impact on roadbed stability. Eight monitoring sites were established along the QXH to investigate the engineering geological characteristics and environmental process of permafrost, including the upper and lower boundary of the active layer under the natural surface, the seasonal freeze–thaw depth under the asphalt pavement, the permafrost table temperature and roadbed stability. The investigation results show that the active layer thickness and permafrost table temperature under an asphalt pavement are higher than under a natural surface due to the absorption heat and reduced evaporation capability of the asphalt pavement. The implication for highway design and construction in permafrost areas are discussed.     

春末黄土高原半干旱区地表能量闭合的观测研究

利用兰州大学半干旱气候与环境监测站的连续观测数据,分析了该站的数据质量情况和黄土高原半干旱区的近地层湍流通量特征及地表能量平衡能量闭合状况.结果表明:兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)湍流通量的平均时间取30min为宜.该站利用EdiRe获得的湍流通量较TK2和CR5000数据自动记录器输出的湍流通量结果要好.黄土高原半干旱区近地层湍流能量与地表含水量状况明显相关,地表干燥时感热通量处于主导地位,接近于干旱区的特征;地表湿润时感热通量和潜热通量则相当,接近于湿润地区的特征.地表能量平衡分析表明,兰州大学黄土高原半干旱环境监测站观测的地表能量闭合度高达85%,与已有的观测相比,能量闭合情况属于较好水平.