昆仑山隧道冻融特征分析

从分析昆仑山隧道渗漏水地形特征入手,得出沟谷地形是多年冻土隧道渗漏水的原因,重新定义移动边界概念,提出产生移动边界特征的充要条件,为进一步认识多年冻土提供了理论依据。引入移动边界计算模型,分析了计算参数的取值原则,采用有限元技术,利用该模型计算和预测冻土的融化深度,并将计算结果与工程实际进行比较,最后得出昆仑山隧道冻融区的变化规律,为隧道病害治理提供了可靠途径。     

昆仑山隧道浅埋段地温特征分析

多年冻土区昆仑山隧道浅埋段出现渗漏水后,浅埋段的地温特征成为治理病害的重要依据之一。根据2004年3～5月份的地质观测资料,分析浅埋段的地温特征,并采用数值模拟技术,追溯隧道工程施工前的地温状态,从而得出该隧道浅埋段2#冲沟存在一个未被冻结的通道;隧道工程对周边地温产生较大影响;最大冻结深度约10 m,最大融化深度不超过4 m。     

融化作用下多年冻土隧道围岩的弹塑性解及其与支护的相互作用分析

多年冻土隧道修建中,施工活动产生的热量将导致多年冻土围岩中出现一定范围的融化圈,进而影响支护的受力以及隧道洞室的收敛。将围岩分为融化区和未融化区,将融化区围岩视为弹塑性介质,未融化区围岩视为弹性介质,建立并求解融化作用下多年冻土隧道围岩弹塑性模型,对不同的围岩条件及支护工况下多年冻土段隧道施工中围岩与支护的相互作用进行分析。结果表明,该模型表现了融化作用下多年冻土围岩与支护相互作用的特征;在较差围岩中,喷射混凝土支护的强度是控制融化作用下多年冻土围岩稳定以及隧道周边位移量的关键因素。在多年冻土隧道施工中,可采用本模型确定施工中容许的最大围岩融化深度,施工中应采取有效措施避免围岩中出现过大的融化圈。     

基于GWRRK的多年冻土地温空间分布模拟研究

研究冻土地温空间分布,有助于探索冻土活动层厚度的变化特征,为冻土灾害防治提供科学依据。以青藏铁路昆仑山至尺曲谷地段多年冻土覆盖区域为研究区域,采用地理加权岭回归克里金（GWRRK）方法对该区域2001年7月至9月的地温空间分布进行了模拟,揭示了该区域多年冻土融化深度的变化特征。结果表明：研究区域内多年冻土地温总体表现为山区地温低于平原和盆地地区地温;地温随深度的增加而降低,在0~5 m的深度区间内温度变化较大,平均温差为10.3 ℃,而在5~15 m的深度区间内基本保持不变,平均温差仅0.2 ℃。通过将GWRRK方法与具有外部漂移克里金（KED）方法和地理加权岭回归（GWRR）方法的模拟效果进行对比,发现前者的模拟精度优于后两种方法。     

大小兴安岭多年冻土退化及其趋势初步评估

大小兴安岭多年冻土处于欧亚大陆多年冻土带南缘,地温高、厚度小、热稳定性差、对气候变暖的敏感性强.过去40 a来该区多年冻土退化主要表现为最大季节融化深度增大,厚度减薄,地温升高,融区扩大,多年冻土岛消失等.气候变暖及该区森林植被的锐减是导致多年冻土退化的普遍性和基础性因素,而多种人为活动影响起了加速促进作用.依据多年冻土南界与多年平均气温的密切相关关系,据1991—2000年平均气温-1.0~1.0℃等值线给出了现今多年冻土南界位置,并探讨了未来40~50 a后气温升高1.0~1.5℃情况下多年冻土南界的可能北移情况.     

计算多年冻土上限深度的地温法

本文以大量实测资料为基础,探讨了季节融化层导温性能及地温峰值滞后等自然因素对多年冻土上限深度的影响。还通过地表面的热效应和气温脉动的研究,讨论了多年冻土上限深度的小区域特点和未来期望值。提出了适合青藏高原多年冻土区计算多年冻土上限深度的半经验公式。由于主要依据是地温的分布和传导特征,故称之为“地温法”。     

考虑冻融锋面移动过程的多年冻土水热模拟

活动层内部的冻融锋面是冻融过程中冻结土层与融化土层的分界面,其上下土层的水热参数有着显著差异。在陆面过程模式中准确描述冻融锋面的移动过程将有助于提高其对多年冻土水热过程的模拟能力。本研究首先将Noah-MP陆面过程模式的模拟深度扩展到20 m,并将原模式的4层土层增加到19层土层,同时引入前人的有机质方案和植被根系方案,然后在此基础上,通过耦合Stefan方法以加强模式对冻融锋面的模拟能力,进而探究耦合Stefan方法的Noah-MP模式对西大滩多年冻土站点水热过程的模拟效果。研究中设置了不耦合Stefan方法的CTL控制试验和耦合Stefan方法的STE对照试验来分别模拟西大滩多年冻土站点2012年0～20 m的土壤温度与土壤液态含水量,模拟结果用站点0～3.2 m内10个深度的日均土壤温度、土壤液态水含量监测数据以及3 m、6 m和10 m的年均地温监测数据来做验证。研究结果表明,由土壤温度模拟值插值得到的冻融锋面(0℃等温线)有明显阶梯状特征,最大冻融深度与实测相比偏大。耦合Stefan方法增强了Noah-MP模式模拟冻融锋面的能力,使得模式能够基于Stefan方法较好地模拟出冻...     

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。     

大兴安岭湿地多年冻土区活动层水热特征分析

大兴安岭北部是我国唯一的中高纬度多年冻土区,其水热特征分析对陆气能量交换、生态系统和气候变化等研究有重要意义。基于2011—2020年期间对大兴安岭森林生态站附近的湿地多年冻土开展的气温和0~2 m地温和土壤含水量数据,对大兴安岭湿地多年冻土活动层的水热特征进行了分析。结果表明：湿地多年冻土活动层内地温的变幅随深度减小,且具有滞后性。融化期地表温度高于深层地温,冻结期相反。2012年、2013年、2019年和2020年的平均融化速率分别为0.49、0.61、0.47和0.56 cm·d^-1,向上平均冻结速率分别为1.34、2.12、2.58和1.65 cm·d^-1。向下平均冻结速率分别为1.69、1.02、3.32和1.00 cm·d^-1,最大融化深度分别为78.73、85.65、66.22和74.94 cm。2012年5月—2013年5月期间,土壤未冻水含量随地温变化的拟合关系较好,相关系数大于0.90,且深层拟合效果优于表层。融化期土壤水分变化幅度大,与地温的相关性差,随深度增加相关性减弱。湿地充足的水分为多年冻土的双向冻结提供了条件。研究成果可为大兴安岭湿地多年冻土区的冻融循环、水热耦合机理和模拟研究提供数据基础和理论依据。     

青藏铁路含融化夹层路基热力响应监测分析

基于青藏铁路沿线P32和P33监测断面连续10年的含融化夹层路基的地温和变形场地实测数据,分析了该两处监测断面左路肩下多年冻土人为上限、季节冻结最大深度、融化夹层厚度及多年冻土人为上限附近地温的年变化过程;同时分析了P32和P33监测断面左右路肩的总沉降年变化过程、P32监测断面左路肩地温场对变形的影响及P33监测断面左右路肩地温场差异对左右路肩差异沉降的影响。结果表明:P32和P33监测断面左路肩下多年冻土人为上限逐年下降、季节冻结最大深度基本不变、融化夹层厚度逐年增厚及多年冻土人为上限附近地温逐年升高;观测期内,P32和P33监测断面左右路肩变形均以沉降为主,且P32监测断面左右路肩的总沉降变形量均小于P33监测断面;其中P32监测断面左路肩暖季沉降变形明显,冷季发生轻微的冻胀变形,且发生沉降和冻胀的时间略滞后于路基下部温度场的变化;P33监测断面左右路肩地温场的差异导致左右路肩存在差异沉降,且其差异沉降值随时间逐年变大。     

昆仑山隧道沟谷融区发育特征分析

利用多年冻土区昆仑山隧道2#冲沟帷幕注浆的机会,将注浆孔当作测试孔,测试每个孔的水位和孔温。通过测试孔水位、孔温和注浆量变化分析,判断2#冲沟融区发育特征,得出2#冲沟沟底的融化深度远大于通常的冻土上限;阳坡地温高于阴坡地温;在2#冲沟段,昆仑山隧道中心线左右至少7m范围内为融化区,融区深度在隧底25m以下;阳坡地层的孔隙率高于阴坡孔隙率,沟底岩层与地表有较为畅通的地下水流通道,沟底地下水渗流通道明显优于两侧山坡,沟心纵断面位置附近存在至少一条未被冻结的地下水通道,且该通道的埋置深度至少可达1730m,为昆仑山隧道渗漏水病害治理提供依据。     

混凝土的入模温度和水化热对青藏直流输电线路冻土桩基温度特性的影响

施工过程中混凝土的入模温度和水化热对多年冻土区桩基施工期间的热稳定性具有重要影响. 针对该问题,利用有限元方法定量研究了±400 kV青藏直流输电线路冻土区锥柱基础入模温度、水化热和含冰量对桩基回冻过程、温度场变化和桩底融化深度的影响规律. 结果表明：水化热影响下,桩基中心温度在第3天达到最高,桩底滞后1 d,基坑表面受其影响较小,主要受环境温度影响;第24天,桩底出现最大融化层,随着入模温度增加,融化层厚度相应增加,入模温度为6℃时融化层厚度为34 cm,15℃时为55 cm;入模温度越高,回冻时间越长,当入模温度为6℃时,完全回冻需经历52 d,15℃时,回冻时间将增加7 d. 含冰量对桩底融化深度有影响,含冰量越大底部融化深度越小;冻土年平均地温是影响桩底融化深度的重要因素,少冰高温（-0.52℃）、低温（-1.5℃和-2.5℃）冻土条件下,最大融化层厚度分别为38 cm、34 cm和25 cm. 基于上述结果,在多年冻土地区的桩基工程,建议混凝土入模温度为6~8℃,底部碎石垫层至少40 cm.     

昆仑山多年冻土隧道施工温度影响分析

青藏铁路昆仑山隧道现场实测气温和地温资料表明，施工期间隧道衬砌现浇混凝土水化热、冬季施工采取的保温措施以及其它人为活动，造成了该隧道围岩的多年冻土融化较多．考虑水分迁移和冰水相变耦合影响，根据瞬态温度场问题的热量平衡控制微分方程和质量迁移方程，应用伽辽金法推导出了有限元计算公式，在ANSYS计算软件的工作平台上开发了计算软件，运用该计算软件对昆仑山隧道施工期间的融化进行了回冻预测分析，结果表明：保温材料对昆仑山隧道的回冻起着阻碍作用．在现场观测寒区隧道围岩的温度和应力时，必须考虑施工期间的融化圈的影响，而观测时间要长一些，否则，测量的温度和应力与隧道稳定后的温度和应力将有较大的差异。     

Simulation analysis of the impacts of underground mining on permafrost in an opencast coal mine in the northern Qinghai–Tibet Plateau

Based on two-dimensional heat-conduction equations with a phase-change component, this study investigates the impact of underground mining on the permafrost environment in an opencast coal mining pit. The dynamics of the maximum thawed and freezing depths at different depths around a borehole wall are determined. The spatial distributions of these dynamics are also determined at different locations of the wall profile. The results show that (1) the maximum freezing depth tends to increase over 100 years; (2) the maximum thawed depth increases along a borehole wall over 100 years. In particular, the maximum thawed depth increases faster near the junctions of permafrost and seasonally frozen soil; (3) due to the small cross section of mining laneways, coal mining does not cause rapid increases in permafrost temperature around borehole walls. Once disturbance to permafrost around a borehole wall decreases, the once-insignificant effect of temperature will become more obvious. Underground mining does have some impacts on permafrost surrounding borehole walls, but it does not cause large areas of deformation due to thermal disturbance.     

基于瞬变电磁法(TEM)的西昆仑地区多年冻土厚度探测与研究

多年冻土厚度对于多年冻土的区域分布和环境效应具有重要控制和指示意义. 应用瞬变电磁法(TEM)对青藏高原西昆仑地区的多年冻土下限进行了探测, 并结合钻孔资料分析了该研究区域多年冻土厚度的分布特征. 结果表明:研究区域多年冻土厚度随地形、地质条件的差异表现出显著的空间差异性. 沿着219国道从509道班到奇台达坂的高山峡谷区, 随着海拔的升高, 多年冻土从无到有, 而且, TEM探测到的多年冻土厚度从不到10 m到接近100 m, 平均厚度约为55 m; 自界山达坂向东到拉竹龙的低山丘陵区, 除部分区域发育融区外, 多年冻土厚度一般在50 m左右, TEM探测显示多年冻土平均厚度约为58 m; 进入甜水海盆地, 多年冻土厚度普遍超过60 m, TEM探测到靠近湖泊的盆地中心地带多年冻土平均厚度可达110 m. 多年冻土厚度随地温的降低呈显著的线性增加趋势, 10 m深度地温平均每降低1 ℃, 多年冻土厚度增加29 m. 多年冻土的厚度随海拔的升高显著增加, 同时局地因素对多年冻土的发育有显著影响, 其内在机制需要进一步研究.     

青藏高原改则地区多年冻土特征

改则地区地处青藏高原腹地, 气候寒冷干燥, 位于青藏高原大片连续多年冻土南界附近. 2010年"青藏高原多年冻土本底调查"项目在改则地区采用坑探、物探和钻探等多种方法对区域内多年冻土开展了大规模野外考察工作. 根据现场钻探资料和后来的地温观测资料, 并结合坑探和物探资料对改则地区多年冻土特征进行分析, 结果显示: 改则地区多年冻土上限深度在2.6~8.5 m之间, 部分地区存在融化夹层; 多年冻土含冰量在12%~35%之间, 主要为多冰冻土, 而且一般仅在上限附近发育有高含冰量多年冻土; 多年冻土温度普遍较高, 在-1.5~0℃之间; 多年下限深度一般小于60 m, 部分地区甚至在10 m左右; 多年冻土分布的下界海拔高度约为4 700 m, 海拔5 100 m以上区域普遍发育有多年冻土; 区域内多年冻土特征受局地因素影响明显, 特别是与坡向、植被覆盖、岩性和含水量等关系密切; 现场记录资料和后来的测温资料都显示改则地区部分多年冻土正处于退化状态.     

Permafrost Change Under Natural Sites Along the Qinghai-Tibet Railway During the Years of 2006-2015

Permafrost changes under natural sites along the Qinghai-Tibet Railway were investigated based on the ground temperature monitored from the year of 2006 to 2015. Among these sites, mean permafrost table was 3.54 m, with a range of 0.88 to 9.14 m. Among the sites with decreasing permafrost table, mean decreasing amplitude of permafrost table was 0.51 m, with a range of 0.05 to 2.22 m; mean decreasing rate of permafrost table was 0.07 m/a, with a range of 0.01 to 0.25 m/a. Decreasing amplitude and decreasing rate of permafrost table in high temperature regions were 0.47 m and 0.06 m/a greater than those in low temperature regions, respectively. In general, ground temperatures at permafrost table and 15 m depth presented rising tendency. Mean rising amplitude of ground temperature at permafrost table was 0.16 ℃, with a range of 0.01 to 0.60 ℃; mean rising rate of ground temperature at permafrost table was 0.018 ℃/a, with a range of 0.001 to 0.067 ℃/a. Rising amplitude and rising rate of ground temperature at permafrost table in low temperature regions were 0.12 ℃ and 0.014 ℃/a greater than those in high temperature regions, respectively. Mean rising amplitude of ground temperature at 15 m depth was 0.10 ℃, with a range of 0.01 to 0.48 ℃; mean rising rate of ground temperature at 15 m depth was 0.011 ℃/a, with a range of 0.002 to 0.054 ℃/a. Rising amplitude and rising rate of ground temperature at 15 m depth in low temperature regions were 0.11 ℃ and 0.012 ℃/a greater than those in high temperature regions, respectively. Due to the effect of local factors, increasing of permafrost table and decreasing of ground temperature were observed under several sites.