青藏铁路可调控通风管路基温度场的三维非线性分析

可调控通风管路基是一种理想的保护高温冻土的工程措施. 应用有限元法, 对青藏铁路普通通风管路基和可调控通风管路基在施工完10 a内的温度场变化进行了三维数值分析. 结果表明: 可调控通风管路基在夏季(8月份)0 ℃的等温线比普通通风管路基要高, 说明它的冻土上限抬升幅度较大, 使冻土得到更好地保护, 并且其路基下面从第二年开始也不会出现融化层; 可调控通风管路基下面的冻土平均温度降到 -1 ℃时的时间比普通通风管路基要早, 说明可调控通风管路基具有较好的降温速度和降温效果.     

带隔热门的通风路基三维温度特性数值分析

对带隔热门的通风管路基三维温度场进行了数值模拟, 通过带相变的瞬态热平衡微分方程, 用伽辽金法导出有限元计算公式, 利用单元生死技术模拟隔热门的开关效应, 在考虑未来气温上升2.6 ℃、年平均地表温度 -1 ℃的情况下, 计算了通风路基有无隔热门两种情况下的温度场. 对比分析表明, 带隔热门的通风路基减小了路基热量的吸收, 降低了路基内部的温度, 能更有效地保护路基下的冻土.     

多年冻土区管道通风路基温度边界条件及温度场实测研究

管道通风路基在多年冻土地区是一种良好的主动保护冻土工程措施,但在应用数值方法研究其长期效果中,对边界条件的选取存在着困难,已有的计算结果也缺乏实体工程的验证.基于青藏铁路北麓河实体试验工程,对通风管中气温以及管壁温度进行了分析和拟合.结果表明:通风管中气温年平均值普遍高于环境气温,平均高出1.6~1.8℃,但在正温期管中气温与环境气温的最高值相差不大(<1℃),而负温期相差较大(达到2℃);路基阳坡面下0.5 m深度地温高于阴坡面3.5~5.5℃.普通路基填筑后在抬升多年上限的同时,也升高了上限附近的地温,且地温场在整个范围内表现出横向上显著的不对称性.通风路基可以对下伏多年冻土起到良好的主动保护作用,表现为冻土上限的抬升和地温的降低.但通风管埋设位置较高的情况下,路基地温场横向不对称范围涉及到原地面以下.降低通风管的埋设高度的情况下,边坡面换热导致的温度横向不对称范围被限制在通风管以上的土体中,而下部土体温度场横向不对称性将得到极大改善.     

多年冻区管道通风路基温度边界条件及温度场实测研究

管道通风路基在多年冻土地区是一种良好的主动保护冻土工程措施, 但在应用数值方法研究其长期效果中, 对边界条件的选取存在着困难, 已有的计算结果也缺乏实体工程的验证. 基于青藏铁路北麓河实体试验工程, 对通风管中气温以及管壁温度进行了分析和拟合. 结果表明: 通风管中气温年平均值普遍高于环境气温, 平均高出1.6～1.8 ℃, 但在正温期管中气温与环境气温的最高值相差不大（＜1 ℃）, 而负温期相差较大（达到2 ℃）; 路基阳坡面下0.5 m深度地温高于阴坡面3.5～5.5 ℃. 普通路基填筑后在抬升多年上限的同时, 也升高了上限附近的地温, 且地温场在整个范围内表现出横向上显著的不对称性. 通风路基可以对下伏多年冻土起到良好的主动保护作用, 表现为冻土上限的抬升和地温的降低. 但通风管埋设位置较高的情况下, 路基地温场横向不对称范围涉及到原地面以下. 降低通风管的埋设高度的情况下, 边坡面换热导致的温度横向不对称范围被限制在通风管以上的土体中, 而下部土体温度场横向不对称性将得到极大改善.     

青藏铁路透壁通风管通风路基模型试验及初始温度场特征

通风路基作为一种积极主动保护冻土路基的冷却调控技术能有效的抬升多年冻土上限, 保护冻土路基的稳定性. 目前实体试验工程通风路基一般采用路基内预埋实体混凝土管或PVC管, 管壁不能透风, 管壁与土体间主要通过热传导进行换热. 一种管壁开孔、可以透风的新型通风管--"透壁通风管"既能以管内空气间的对流带走管内热量; 因其管壁透风, 低温的冷空气可以透过管壁的大孔眼穿透到通风管周围的介质中, 直接与其进行热交换, 从而改善传统通风管换热模式. 为探索透壁通风管在青藏铁路路基中的实际温控效果而进行了青藏铁路透壁通风管路基现场试验, 试验路基短期监测资料的分析结果显示, 透壁通风管对青藏铁路路基具有良好的冷却能力, 可在一定程度上抬升冻土上限; 透壁通风管路基经填土级配优化重组后更能充分发挥其路基冷却效果     

风积沙环境下高等级公路冻土块石路基降温性能分析

青藏高原脆弱的生态系统以及人类工程活动,加剧了青藏工程走廊线性工程两侧沙漠化、荒漠化发展趋势,尤其冻土块石路基面临日益严重的风积沙灾害问题。以多年冻土区高等级公路块石路基为研究对象,采用数值模拟分析风积沙环境下封闭块石路基的降温性能和长期热稳定性。结果表明：风积沙堆积对封闭块石路基下部土层冻土温度的影响程度高于冻土上限,1.0 m湿沙工况降低冻土温度,0.2 m干沙则增大冻土温度。升温背景下,随年平均气温增加风沙堆积对路基冻土上限影响程度增强,干沙增大冻土融化深度,湿沙抬升冻土上限。随冻土含冰量减小,路基中心冻土上限对气候升温敏感性增加,风沙堆积影响减弱。气候升温和风沙堆积条件下,在年平均气温低于-5.5℃时,宽幅沥青路面封闭块石路基能够满足降温要求,使人为冻土上限保持在块石层内。研究成果可为风沙危害区多年冻土块石路基的病害治理和拟建青藏高速公路块石路基设计提供科学依据。     

多年冻土区铁路通风路基室内模型试验的温度场特征

根据多年冻土区铁路通风结构路基室内模型试验的研究, 分析了模型路基典型部位的温度随时间的变化情况, 及整个路基3个典型断面在冻结期结束和融化期结束时的温度场特征. 结果表明: 路基底部温度变化与气温变化趋势不一致; 路基上部温度变化与气温变化趋势一致, 但存在滞后现象; 沿着风向方向, 在冻结期, 路基温度分布比较对称, 但在融化期, 就形成不对称分布; 除了在通风管中部上方小部分有明显不同外,通过通风管中心轴断面的温度场特征与两通风管间断面的温度场分布特征在同一时刻是相似的.     

青藏铁路路基下融化夹层特征及其对路基沉降变形的影响

基于青藏铁路多年冻土区路基地温与变形现场监测资料, 研究了青藏铁路路基下融化夹层特征及其对路基沉降变形的影响. 结果表明:在已有监测场地中, 青藏铁路沿线天然场地融化夹层发育较少, 而路基下融化夹层发育较多. 低温冻土区路基下融化夹层能够逐渐完全回冻使其消失, 高温冻土区大部分路基下融化夹层有进一步发展的趋势. 当融化夹层下部为高含冰量冻土时, 融化夹层与路基沉降变形关系密切, 路基易产生较大的沉降变形; 当融化夹层下部为低含冰量冻土时, 路基沉降变形较小.     

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.     

边界条件对多年冻土路基热稳定性的影响分析

多年冻土区的年平均气温是影响冻土路基边界条件的重要因素. 在附面层原理的基础上,考虑采用带有相变的控制方程和数值方法,以相同尺度的路基模型为前提,选取不同的年平均气温为影响因素,对青藏工程走廊公路路基的人为冻土上限和年平均地温进行了研究. 结果表明：公路路基下年平均地温随着年平均气温的升高而升高,人为冻土上限随着年平均气温的升高而显著下降. 在年平均气温为-7.16 ℃时,路基修筑50 a后其年平均地温为-3.61 ℃,其人为冻土上限为-0.97 m;年平均气温为-3.21 ℃的条件下,路基修筑50 a后其年平均地温仅为-0.1 ℃,其人为冻土上限也降至-13.11 m. 因此,可以看出：在未来气候持续变暖的背景下,现有处于稳定状态的冻土路基将逐渐变得不稳定.     

倾斜布管采控天然冷量的青藏铁路路基温度场演变规律

Aiming at the stabilization of Qinghai-Tibetan Railway embankment during its construction and run, the method using tilt pipes to keep the permafrost embankment stabilization is put forward in the paper. By gathering natural cold energy in the winter and release it in the summer the tilt pipes can keep the permafrost embankment stabilizing. The temperature fields of the embankment and the stratums below are studied according to the condition of pipes diameter 250mm, length 7. 0m and tilt angle 30°,45°, 60° until the railway working for 20 years. It is shown that the embankment field using tilt pipes will eliminate the thawing core and come into subzero temperature phase ahead of 9 years compared with the original model. Different tilt angles have different efforts on the embankment and stratums, synthesis analysis of thermal income and expenses of the embankment and stratums should be carried out     

青藏铁路抛石护坡路基强迫对流特性数值分析

基于多孔介质中流体热对流的连续性方程、非达西流动量方程和能量方程,对强通风条件下青藏铁路典型抛石护坡路基内温度场和流速场的分布形态进行数值研究。研究结果表明,抛石护坡路基对多年冻土保护作用显著,抛石护坡路基的存在使夏季多年冻土上限明显提高,冬季抛石护坡路基下部土体回冻速度较天然地表下部土体更快,由于降温作用主要集中在护坡附近有限范围之内,对路基中部的降温作用相对较弱。整体而言,抛石护坡对冻土路基本体的保护作用有限,从长期降温效果来看,由于全球气候变暖的影响,强通风条件下抛石护坡路基中线以下土体的内部可能产生“似眼球状”融化夹层,不利于路基的稳定。迎风抛石护坡层中空气运动方向大致为沿护坡斜向上,背风抛石护坡层中空气运动方向以从下到上运动为主,抛石层内空气的运动形式为“绕流”,抛石层表面空气速度最大,内部较小,空气速度分布区间为1.24×10-3～12.8 m/s,数值结果与现场试验测得的风速区间基本一致。     

多年冻土南界附近青藏铁路路基下的冻土退化

基于2006-2012年青藏铁路多年冻土区唐古拉山南侧安多断面地温监测资料,分析了多年冻土南界附近路基下多年冻土的退化过程及其影响因素.结果表明：该监测断面天然场地多年冻土退化表现为多年冻土天然上限下降与多年冻土地温升高,观测期内多年冻土天然上限下降0.29 m,下降速率为4 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土温度升高0.03℃,升温速率为0.004℃·a^-1.该监测断面路基左路肩下多年冻土退化表现为多年冻土人为上限下降、多年冻土地温升高、多年冻土下限抬升以及多年冻土厚度减少.观测期内多年冻土人为上限下降0.41 m,下降速率为6 cm·a^-1;路基下10 m处多年冻土地温升高0.06℃,升温速率为0.009℃·a^-1;多年冻土下限抬升0.50 m,抬升速率为7 cm·a^-1;多年冻土厚度减少0.90 m,减少速率为13 cm·a^-1.工程作用是导致路基下多年冻土退化的主要原因,气温升温与局地因素中的冻结层上水发育促进了这一退化过程.路基下融化夹层的出现,导致多年冻土垂向上由衔接型变为不衔接型.     

青藏公路下伏多年冻土的融化分析

基于青藏公路沿线高温冻土区和低温冻土区2组地温观测孔5 a的地温观测资料, 研究了路基下伏多年冻土的融化状态, 定量分析了进入路基下多年冻土内的热状况. 结果表明: 路基近地表地温明显高于对应天然地表下的地温, 路基近地表经历的融化期长于对应天然地表, 高温冻土区路基内已形成贯穿融化夹层;进入高温冻土区路基下伏多年冻土内的热收支处于持续不断的吸热状态, 进入低温多年冻土区的热收支也呈现出吸热明显大于放热的周期性变化;高温冻土区接近0℃的地温及其持续不断的热积累是引起下伏多年冻土不断融化的主要原因. 低温冻土区进入多年冻土的热积累暂时以增高地温耗热为主, 随着地温的增高, 低温冻土区也可能发生强烈的冻土融化.     

青藏铁路清水河地区路基下伏多年冻土地温变化特征研究

基于埋设在青藏铁路清水河地区路基中两个断面内的共8个地温测试孔3年来的地温观测资料,研究了该地区铁路路基下伏高原多年冻土融化特征,分析了多年冻土上限的变化规律以及填筑铁路路基施工对下伏多年冻土赋存条件的影响。研究表明,由于受到填筑路基时赋存在路基填料内的热量的影响,铁路路基下伏多年冻土近地表的地温变化特征与天然地面下的多年冻土的地温变化特征有明显的不同,且向阳面与被阴面差别较大。多年冻土的上限在施工初期会有一个明显的下移沉降,随着时间的推移,虽然残存在路基中的热量逐渐消散,多年冻土上限下降会逐渐稳定。由于受到太阳辐射和路基边坡形状及融化夹层的影响,多年冻土上限会逐渐稳定,但不会在短时期内上升到天然地面下多年冻土的上限水平。     

青藏高原封闭道碴层对下部多年冻土保护作用的现场实验研究

为了研究封闭道碴层对其下部多年冻土是否具有积极的保护作用,在青藏铁路北麓河试验段附近建立了封闭碎石道碴坑和卵石地表对比试验场,并对下部地温进行监测.结果发现:经过两个冻融循环后,道碴坑底部(1.3 m深度处)年平均地温为-1.11℃,比卵石地表相同深度低0.73℃;道碴坑中部(0.7m深度处)年平均地温为-1.60℃,比卵石地表相同深度地温低1.4℃.封闭碎石道碴层可以提升冻土上限,降低多年冻土温度,对下部多年冻土起到很好的保护作用.封闭道碴层的这种降温效果是由于道碴层具有可变导热系数的特点,暖季道碴层上部温度高,下部温度低,不产生对流,等效导热系数小,传入道碴层以下土体的热量较少;相反寒季道碴层上部温度低,下部温度高,产生自然对流,等效导热系数增大,有利于道碴层以下土体释放热量.     

多年冻土地区砂砾路面路堤临界高度数值分析

In permafrost regions of Qinghai-Tibetan Plateau, the critical embankment height must be considered in the process of the construction of highway, especially for the global climatic warming. In this paper, the two-dimensional numerical analysis for the critical embankment height (for gravel road surface and coarse-grained soil) has been performed by using thefinite element method. In the calculation, we think that the service life of the construction is at least 50 years. The mean annual air temperatures applied to the calculation model are -6.5 ℃, -6.0 ℃, -5.5 ℃, -5.0 ℃, -4.5 ℃ and -4.0 ℃, respectively, and the value of temperature rise are taken as 1.10℃ in the coming 50 years. The minimum embankment heights derived from the analysis are 0.85 m, 0.92 m, 1.01 m, 1.18 m, 1.60 m and 2.66 m for the different mean annual air temperatures and the maximum embankment heights are 7.68 m,7.55 m, 7.34 m, 7.00 m, 6.45 m and 5.85m, accordingly. On condition that the service life of embankment is 50 years, the critical value of the mean annual air temperature is -3.5 ℃. Namely, in the areas where the mean annual air temperature is higher than -3.5 ℃, the critical embankment height does not exist.     

渗流对多年冻土区路基温度场影响的数值模拟

运用传热学理论和渗流理论导出了路堤侧向有地表积水入渗情形下,多年冻土区路基温度场渗流场耦合作用的控制微分方程,然后以现场观测资料为基础,用Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元方法对青康公路（２１４国道）花石峡冻土研究站１号试验路段路基温度场未来可能的变化状态进行了数值预报。结果表明,若无渗流作用,５ａ后路堤左侧天然地表、路堤堤身和路堤右侧天然地表的最大季节融深分别为１．４ｍ,３．２ｍ和１．４ｍ;若有渗流作用,则     

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.     

青藏铁路可调式通风管路基的数值仿真分析

Finite Element Method has been used to operate the numerical analysis and comparison between the traditional ventilated embankment and the adjustable ventilated embankment adopted in Qinghai-Tibet Railway construction. The numerical results show that: 1) The adjustable ventilated embankments can prevent the thermal entry from air into ducts during summer from thawing the permafrost beneath the embankments; 2) The cooling effects of the adjustable ventilated embankments on permafrost is much better than the traditional ventilated embankments although two kinds of embankments can generate the thawing bulbs at the beginning of finishing construction; 3) The drop of the mean temperature of permafrost under the adjustable ventilated embankments keeps faster than that of the mean temperature of permafrost under the traditional ventilated embankments. It is clear that the adjustable ventilated embankments can keep the embankment more stable than the traditional ventilated embankments.