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。     

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.     

青藏铁路冻土区遮挡式路基结构安全可靠性预测分析

冻土区路基的安全可靠性取决于路基地温场特征和路基面抗自然侵蚀特征。在路基基床上部修筑遮阳棚和在边坡上修筑遮阳板既可阻挡太阳对路基面和路基边坡的直接辐射,改变路基地温场形态,降低土层温度,又可防止降水渗入路基或降雪覆盖路面。这对防止冻土退化,提高冻土区铁路路基安全可靠性是一种非常有效而又简单易行的工程措施。本文以青藏铁路冻土区遮挡式路基结构路基表面温度数据和该地段气象资料为基础,运用带有相变的一维热传导方程模拟分析了青藏铁路长期运营过程中遮挡式路基结构对冻土区路基人为上限的抬升效果及对路基稳定性的影响,认为遮挡式路基结构是一种安全可靠的冻土区路基工程结构形式,同时也是未来铁路运营过程整治路基病害的一种有效工程措施。     

青藏铁路路基表面温度及融冻指数预测

利用青藏铁路沿线沱沱河和那曲气象站的历史气温资料, 采用趋势和波动外推方法预测2010年代两站气温, 以此作为青藏铁路路基表面热力学模式的输入, 计算输出路基表面辐射温度, 然后采用年振幅方法计算2010年代融化指数和冻结指数及融冻比. 结果表明: 与1990年代相比, 2010年代除沱沱河冬季月平均路基表面温度稍有下降外, 沱沱河和那曲地区路基表面温度预测值都有较大幅度的上升. 其中, 沱沱河地区是夏季温度上升较大, 升幅达到0.8 ℃;而那曲地区则是冬季温度上升较大, 升幅达到0.6 ℃. 沱沱河夏季路基表面融化指数明显增大, 冬季冻结指数略有减小, 预测融冻比的升幅在8%以上, 达到0.85;融冻比目前仍然保持在1以下, 表明其冻结能力依然占优势, 但其优势已经在明显减弱, 即多年冻土在向退化的方向发展. 那曲路基表面融化指数增大而冻结指数减小, 使得融冻比大幅度跃升, 融冻比的升幅超过10%, 达到1.79. 总之, 与1990年代相比, 2010年代沱沱河和那曲地区路基冻土有明显向融化方向发展的趋势.     

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。     

青藏高原清水河多年冻土区铁路路基沉降变形特征研究

通过埋设在青藏铁路路基中两个断面内的6条沉降观测管3 a来的地基沉降变形资料,研究了高原多年冻土区铁路路基的沉降变形特征,分析了填筑铁路路基对下伏多年冻土融化变形的影响。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上限在施工初期会有一个明显的下移沉降,铁路路基也随之有一个较大幅度的工后下沉变动,随着时间的推移,路基下降速率会逐渐下降,但在短时间内不会停止下来,而且由于太阳辐射和路基边坡形状的影响,路基向阳面与背阴面的变形有较大的差别,且在近南北向展布的路基上表现最为明显。     

青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式(Ⅰ):物理过程与实验方案

路基表面的热状况具有时空分布的非均匀性,筑建在冻土区的路基,其下伏冻土层对上边界非均匀热强迫的响应,会引起冻土层的冻胀、融沉非均匀变化,进而造成路基的变形失稳.因此,了解路基表面热状况的时空变化规律对监测和防治路基冻融病害、保证路基稳定性具有重要意义.鉴于此,从热力学研究角度出发,以气候影响因子-大气辐射传输-地气交接面辐射特性-地气间热量交换为研究主线,基于能量守恒原则,建立针对青藏铁路沿线地表、路基上表面和路基左右边坡表面的普适性热力学数值模式,用于高海拔青藏铁路全线的任意坡度和走向的路基表面热状况的定量化研究与应用.     

青藏线冻土区“阴阳坡”问题及其辐射机制

青藏线(包括青藏铁路和青藏公路)格-拉段基本呈南北走向, 对其进行的长期地温监测表明, 在多年冻土地区, 两条线路绝大部分路段的路基出现了所谓的 "阴阳坡"现象. 在多年冻土地区, 尤其是高含冰量的多年冻土区, 阴阳坡的出现给路基的稳定性带来了极大的危害. 在分析青藏线沿线太阳辐射特点的基础上指出, 青藏高原上强烈的太阳辐射, 再加上边坡坡向以及太阳总辐射特殊的日变化规律导致了青藏线上的"阴阳坡"现象. 对于如何消除阴阳坡问题, 减缓其危害性, 给出了两条建议: 1)在路基边坡或者路面喷涂热反射材料;2)适当降低路基高度并减小路基边坡的坡度.     

青藏铁路多年冻土区保温护道路基温度场数值模拟研究

多年冻土区路基铺设保温护道的目的在于削弱边坡热侵蚀作用对路基下多年冻土温度状况的影响,防止多年冻土上限特别是阳坡侧冻土上限下降,减少人为活动对路堤坡脚及附近天然地表的破坏;防止路侧地表积水渗入基底;对边坡产生反压,防止路肩滑塌,以保证路基的稳定.结合试验工程监测资料,采用数值模拟方法分析了青藏铁路多年冻土区路基保温护道的效果,结果表明:保温护道并没有达到设计的目的,由于路基和护道几何形状对空气对流和太阳辐射的影响,不仅达不到保护冻土地基的目的,反而加大阴阳坡温度差异,导致路基病害的发生.     

青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式(Ⅲ):参数化方案

以物理过程分析为基础,根据野外实测资料设计了青藏铁路沿线地表和路基表面热力学模式中的大气辐射参数化方案,对直接太阳辐射、大气散射辐射、大气向下长波辐射参数进行处理,得到了较好的结果.在无云大气条件下,对直接太阳辐射透过率和大气散射辐射以太阳天顶角进行参数化;对大气向下长波辐射以大气等效辐射率及气温进行参数化;在云天条件下,基于晴阴比的云量参数化和基于气候资料的云天系数参数化都各有较好的效果.对土壤热通量的参数化方法和拖曳系数的取值问题进行了讨论,更完善的方法还有待于与实验测量工作相结合.     

Permafrost Characteristics of the Qinghai-Tibet Plateau and Methods of Roadbed Construction of Railway

Permafrost along the Qinghai-Tibet railway is featured by abundant ground ice and high ground temperature. Under the influence of climate warming and engineering activities, the permafrost is under degradation process. The main difficulty in railway roadbed construction is how to prevent thawing settlement caused by degradation of permafrost. Therefore the proactively cooling methods based on controlling solar radiation, heat conductivity and heat convection were adopted instead of the traditional passive methods, which is simply increasing thermal resistance. The cooling methods used in the Qinghai-Tibet railway construction include sunshine-shielding roadbeds, crushed rock based roadbeds, roadbeds with rock revetments, duct-ventilated roadbeds, thermosyphon installed roadbeds and land bridges. The field monitored data show that the cooling methods are effective in protecting the underlying permafrost, the permafrost table was uplifted under the embankments and therefore the roadbed stability was guaranteed.     

青藏铁路多年冻土区沼泽化斜坡路基稳定性分析

青藏铁路多年冻土斜坡段路基稳定性对铁路长期运营具有潜在的威胁,分析评价当前和未来斜坡路基稳定性可指导路基工程的正确设计和施工,从而保证铁路的安全运营。多年冻土地温变化使斜坡路基稳定性分析不同于普通土路基,其冻融交界面位置是制约斜坡路基稳定性的关键所在。通过对安多试验段3a来的地温监测,分析路基地温变化规律,并预测了未来50a内试验段地温的变化趋势,建立了当前和未来条件下的斜坡路基稳定性模型,计算分析了斜坡路基的稳定性。通过上述研究,取得以下认识和结论:(1)铁路路堤的填筑,引起多年冻土温度场重分布;由于坡向不对称和几何不对称,使得地温场存在不对称;(2)依据冻融界面位置和活动层的地温特征将冻土路基划分为4个不同时期,即冬季严寒期(1~2月)、春夏融化活动期(3~8月)、最大融深期(9~10月)及回冻活动期(11~12月);通过计算对比分析,每年最大融深期的稳定性系数最小;(3)数值分析的预测结果表明,20a以后,安多段试验段路基的多年冻土完全退化,在所预测的第10年最大融深期稳定性系数最小。     

青藏铁路沱沱河段路基边坡植物护坡根系力学强度试验研究

以青藏铁路沱沱河段路基边坡作为试验区,且在试验区路基边坡两侧种植了乡土护坡草本植物垂穗披碱草,通过对种植在试验区路基阴坡、阳坡生长5年的垂穗披碱草,做了野外原位根系拉拔试验,获得了垂穗披碱草根系抗拔力。研究表明:种植在阳坡的垂穗披碱草根系抗拔力为3088N,阴坡抗拔力为2352N,即种植在阳坡的垂穗披碱草根系抗拔力显著大于阴坡,影响其抗拔力大小的主要因素与土壤含水量及其变化有密切关系,试验区阳坡接受光照时间、程度均强于阴坡,试验区阳坡坡面土壤水分蒸发量大于阴坡这种差异形成阴坡、阳坡坡体土壤含水量不同的主要原因;垂穗披碱草根系抗拔力大小与须根数量、根径、根长、株高、根表面积、分蘖数之间均呈线性关系,其中抗拔力与须根数量之间呈显著性线性相关,阳坡垂穗披碱草抗拔力随根系数量增加的幅度显著大于阴坡,即当须根数量为40～60条时,阳坡垂穗披碱草的抗拔力集中分布在11～25N,阴坡抗拔力分布在8～15N;当须根数量为60～140条时,阳坡垂穗披碱草的抗拔力分布在30～70N,阴坡抗拔力为20～50N。根据路基边坡阴坡、阳坡垂穗披碱草根系抗拔力试验结果,评价了阴、阳两种坡向条件下垂穗披碱草根系护坡力学贡献,这对青藏铁路路基边坡种植草本植物实现该边坡与周边自然生态环境之间的协调发展具有理论指导意义。     

降雨对青藏高原多年冻土区地表辐射的影响——以北麓河地区为例

青藏高原地表辐射变化影响多年冻土地表能量收支平衡、热工计算温度场边界条件以及冻土热稳定性。降雨变化是影响地表辐射的重要因素,以青藏高原北麓河地区的地表辐射资料和浅层地表水热监测数据为基础,分析了降雨对多年冻土区地表辐射特征的影响。研究表明：受降雨影响,辐射分量具有明显的日变化和年际变化特征,短波辐射被严重削弱,地面长波辐射削弱程度较低,而太阳长波辐射增强。小雨作用后,太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少24.6%、37.9%、4.2%,太阳长波增加了4.3%;中雨作用后,太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少32.2%、43.4%、1.7%,太阳长波增加了11.6%;大雨作用后,太阳短波、地面短波、地面长波辐射日积分量分别减少56.3%、65.5%、4.4%,太阳长波增加了10.7%;降雨作用后地表反照率减小,且呈不对称“U”形变化,地表净辐射增加,长期时间尺度上降雨对净辐射影响不明显;降雨对辐射特征的影响程度与降雨强度呈正相关且地表辐射对降雨变化的响应有滞后效应。在暖湿化背景下,冻土热工计算中应考虑降雨对多年冻土区地表能量平衡和水热边界的影响。     

214国道不同路面形式下碎石护坡工程效果实测分析

沥青路面和水泥路面是214国道江河源段采用的两种基本路面形式,由于该路段地处高温不连续多年冻土区,碎石护坡等多种工程措施被尝试用来稳定冻土路基.对两种路面形式下碎石护坡路段的地温监测资料进行综合分析发现,碎石护坡能显著降低路基边坡坡面的年平均温度,减小路基边坡坡面温度的年较差,并对坡脚、路肩和路基中心具有从大到小的冷却...     

青藏铁路不同路基工程结构对路基裂缝的影响研究

针对青藏铁路某试验段加筋路堤和站场路基等不同路基工程 ,本文介绍了冻土路基的温度和变形的试验结果 ,分析了加筋路堤和站场路基不同路基工程的地温变化和变形特征 ,并论述了加筋路堤和加宽路基等不同工程结构对路基裂缝的影响     

沈丹客运专线本溪段下伏采空区的数值模拟分析

为分析沈丹铁路客运专线本溪段的路基稳定性,为铁路客运专线建设提供依据,利用概率积分法进行了预测,并采用有限元软件ADINA进行了数值模拟。建立三维模型,分析了采空区残余变形对客运专线的影响,并对采空区注浆后的状态进行了模拟分析,得到了注浆前、后沿路基方向下沉、沿路基方向水平移动、垂直路基方向水平移动的数值。研究表明,采空区处于基本稳定状态,地表移动和变形是均匀渐变的,不会出现突然塌陷,但采空区上方出现了应力集中和塑性变形,地表移动仍会对铁路客运专线的运营造成影响,考虑未来可能产生的残采和复采以及铁路行车荷载的作用,也可能会出现老采空区活化,宜采取措施进行加固;对采空区进行注浆后地表的移动和变形值较小,达到了铁路客运专线的要求,采空区注浆能有效地控制地表移动和变形。