青藏高原气候转暖与冻土工程的关系

工程作用和气候转暖影响加剧了工程下部多年冻土的退化,导致冻土工程稳定性发生显著变化。本文从气候转暖和工程活动下多年冻土变化和冻融灾害的视角探讨了气候转暖与工程稳定性的关系,给出了青藏高原气候转暖下活动层厚度、冻土温度等变化和青藏公路和青藏铁路工程下部多年冻土上限、冻土温度和路基变形等特征。同时,系统梳理了青藏高原冻土工程防治冻土融化的工程技术措施,讨论了未来气候变暖下青藏高原多年冻土的变化特征及其对冻土工程服役性的影响。青藏高原多年冻土在过去数十年来发生了不同程度的退化,工程作用加速了工程下部多年冻土退化,严重影响工程稳定性。青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的技术措施,但冻土工程仅能适应气候变暖1 ℃的情况。未来气候变暖1.5 ℃,青藏铁路冻土工程的补强措施需尽早谋划。     

工程活动下的冻土环境研究

冻土与人类活动及环境息息相关，人类工程活动能诱发冻土环境、生态环境变化和冻融灾害及工程稳定性变化，因此，人类工程活动下的冻土环境变化及冻融灾害问题已日益引起国内外冻土研究的重视。人类工程活动加快了冻融过程变化，产生了极大的负面影响。文章主要从冻土稳定性、地面敏感性评价；冻土环境与工程建筑物的稳定性及相互关系；冻土环境保护和土地合理利用；冻土区生态环境研究等四个方面评述了近年来人类工程活动对冻土环境的影响研究。     

影响青藏铁路冻土区主要工程措施可靠性的气温变化指标分析

多年冻土是气候条件控制的特殊地质体,气温升高和降水条件变化将对青藏铁路沿线的多年冻土产生深刻影响.从全球气温变化背景和青藏高原气候变化的实际情况出发,分析和论述了气候变化对青藏铁路沿线多年冻土地温特征及冻土区工程建筑物的可靠性产生缓慢而持续影响的气温变化指标.通过对冻土区工程设计原则和工程结构、工程措施可靠性产生重大影响的气温变化特征的分析,提出对目前冻土工程可靠性的看法,并提出应对工程措施.     

青藏高速公路修筑对冻土工程走廊的热力影响及环境效应

青藏工程走廊是连接西藏与内地的战略通道,已建数条重大工程聚集于这一狭窄地质环境脆弱敏感带内。随着西藏自治区新一轮的经济发展,包括青藏高速公路、铁路复线、高压输变电线路等重大线性工程已纳入到国家相关发展规划中,尤其青藏高速公路的建设迫在眉睫。廊内控制性环境地质问题是冻土,重大工程建设在受到冻土地质环境制约的同时,也将产生显著的环境效应,且随着走廊工程布局的日益密集,构筑物群相互热影响及对走廊冻土地质环境的扰动将日益突显。面对这一问题,在国家自然科学基金重点项目支持下,开展"青藏高速公路修筑对冻土工程走廊的热力影响及环境效应"研究。从项目的研究意义、拟解决的关键科学问题、主要研究内容和预期目标4个方面进行介绍,以期为相关科研、工程技术人员提供参考。     

青藏直流线路冻土地基监测研究

青藏交直流联网工程是继青藏公路、 青藏铁路等之后, 在青藏高原多年冻土区建设的另一种新结构的冻土工程. 系统地分析了青藏直流线冻土工程与其它工程的差异, 并就该工程冻土基础温度、 水分、 应力和应变监测系统的建立和观测要素, 以及初步观测结果等问题进行了讨论. 通过对2011年全年观测数据分析发现, 整个监测系统可以准确、 及时反映输电线路冻土基础的不同性状和特征, 可以反映影响塔基稳定性的主要因素及其变化趋势. 初步观测结果表明, 在不同时段, 监测塔式基础底部总体处于冻结状态、 塔基基本稳定, 但个别监测塔基地温增温幅度、 上限融化深度较大, 沉降变形呈现增加趋势. 鉴于工程完工和荷载作用的时效性, 塔基稳定性应处于动态变化过程之中. 为正确评价塔基稳定性, 需要对塔基回填土的冻融、 水热变化和塔基变形等重要过程进行长期监测研究.     

青藏高原冻土地区岩土工程研究进展与思考

我国青藏高原地区 ,广泛分布着性质极为特殊的多年冻土。近年来 ,随着国民经济建设、旅游业以及国防建设的发展 ,交通运输需求量的加大 ,许多工程建筑修筑于冻土地基之上。这不仅带来许多复杂的工程地质与岩土工程问题 ,同时也促进了冻土的开发和利用。主要总结了目前冻土在力学特性、地基处理以及环境变化等诸多方面的研究成果 ,指出了冻土研究的应用前景 ,对我国多年冻土地区工程的建设 ,尤其对青藏铁路建设具有积极的指导意义     

寒区冻土环境与工程环境间的相互作用

从冻土环境和工程环境相互作用着手 ,分析了青藏公路建设过程中的冻土环境破坏、环境保护状况及冻土环境保护对工程建设的重要性 ,同时对正在拟建的青藏铁路 ,阐述了人类经济活动对冻土环境和工程环境的影响 ,并初步提出寒区冻土、工程环境质量监测、管理和评价系统的设计框架.     

青藏公路多年冻土区冻土工程研究新进展

系统回顾了青藏高原多年冻土区公路工程冻土研究的过程和研究的内容 ,重点阐述了 90年代开展的冻土研究的研究成果 ,从冻土工程地质、路基下冻土温度场、冻土环境的影响、冻土工程分类、地理信息系统 5个侧面 ,来反映近年来在青藏公路研究中所取得的研究成果 ,这些成果为青藏铁路建设中重大冻土工程技术问题和工程设计提供了解决问题的科学依据     

中国冻土对气候变化的脆弱性

冻土的脆弱性是指冻土对气候变化的脆弱性,是冻土易受气候变化,尤其是温度变化不利影响的程度. 研究冻土对气候变化的脆弱性是提高对自然生态系统、工程系统、生态-社会-经济系统对冻土变化影响的脆弱性的认知,科学适应冻土变化诸种影响的前提和基础. 基于科学性与实际相结合的原则、全面性与主导性原则、可操作性原则,以暴露度、敏感性与适应能力为标准,遴选构建了我国冻土脆弱性评价指标体系. 借助RS与GIS技术平台,使用空间主成分方法,构建了冻土脆弱性指数模型,在区域尺度上综合评价了冻土的脆弱性. 依据自然分类法,将冻土脆弱性分为潜在脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、强度脆弱与极强度脆弱5级. 结果表明：总体上我国冻土以中度脆弱为主,但青藏高原多年冻土对气候变化尤为脆弱;冻土脆弱性具有显著的地域分布特点,青藏高原、西部高山、东北多年冻土区脆弱性相对较高,季节冻土区相对较低. 与季节冻土相比,多年冻土对气候变化更脆弱. 在当前升温幅度条件下,冻土脆弱程度主要取决于冻土的地形暴露与冻土对气候变化的适应能力.     

青藏铁路主要冻土路基工程热稳定性及主要冻融灾害

在介绍青藏高原多年冻土退化背景及其工程影响的基础上,通过主要冻土路基现场监测和沿线调查,对青藏铁路冻土路基2002年以来的地温发展过程、热学稳定性及次生冻融灾害进行了分析。结果表明：青藏铁路自2006年通车后冻土路基整体稳定,列车运行速度达100 km/h,达到设计要求,但不同结构路基的热学稳定性不同,采取＂主动冷却＂方法的路基稳定性显著优于传统普通填土路基。管道通风路基、遮阳棚路基及U型块石路基冷却下伏多年冻土的效果显著,块石基底路基左右侧对称性较差,而处于强烈退化冻土区和高温冻土区的普通路基热稳定性差,需结合路基所在区域局地气候因素予以调整或补强。以热融性、冻胀性及冻融性灾害为主的次生冻融灾害对路基稳定性存在潜在危害,主要表现为路基沉陷、掩埋、侧向热侵蚀等,其中目前最为严重的病害是以路桥过渡段沉降为代表的热融性灾害。     

Thermal-mechanical Influences and Environmental Effects of Expressway Construction on the Qinghai-Tibet Permafrost Engineering Corridor

The Qinghai-Tibet Engineering Corridor (QTEC) is a strategic passage between Tibet and central China. In the past half century, several major projects have been built in this narrow corridor with vulnerable geoenvironment. Along with a new round of economic development of the Tibet autonomous region, some major linear projects including expressway, double-tracking railway, high voltage power transmission line have been incorporated into the national development planning within the corridor, and especially the expressway construction is imminent now. In the QTEC, permafrost is a controlling factor of geological environment, which will impose great restrictions on engineering construction. In turn, engineering construction will induce significant effects on permafrost geological environment. With more and more linear infrastructures crowding into the QTEC, the thermal interaction among permafrost engineering and engineering disturbance on permafrost thermal-mechanical regime will be more significant. With respect to this issue, a research program focusing on thermal-mechanical influences and environmental effects of expressway construction on the Qinghai-Tibet permafrost engineering corridor was started and supported by the National Natural Science Foundation of China. In this paper, the research significance, key scientific issues, main research contents and goals of the program are introduced so as to provide some references for related researchers and engineers.     

Technical approaches on permafrost thermal stability for Qinghai–Tibet Railway

Widespread warm permafrost with a high ice content is a key problem for the roadbed stability of the Qinghai–Tibet Railway. A new approach is proposed to alleviate the effect of global warming and engineering construction on permafrost by cooling the roadbed and positively protecting the permafrost. Measures for cooling the roadbed by adjusting solar radiation, conduction, and convection are studied and applied to prevent ground ice from thawing and to ensure roadbed stability in permafrost regions. The results of monitoring permafrost embankments at Beiluhe and along the Qinghai–Tibet Railway show that the measures adopted for cooling the roadbed are very effective in raising permafrost table and reducing the soil temperature.     

青藏铁路多年冻土工程地质特征及其评价

青藏高原多年冻土是地质历史时期高海拔寒冷气候条件下的产物,也是青藏铁路建设的三大难题之一;而多年冻土工程地质特征及其评价工作是作出合理、可靠的工程设计的基础。结合青藏铁路沿线多年冻土区的15个地形地貌分区,在青藏铁路多年冻土区选择了70个典型断面进行了地质勘查,采用地质钻探和室内试验相结合的方法,研究了各区的工程地质特征并对其工程地质类型进行了评价。研究表明:青藏铁路多年冻土区冻土类型多样,高含冰量冻土、厚层地下冰广泛分布,不同区段地温差异性较大,工程地质条件复杂多变,良好、一般、不良和极差的工程地质区段交错分布。     

Assessment of frozen-ground conditions for engineering geology along the Qinghai–Tibet highway and railway, China

The Qinghai–Tibet Highway and Railway (the Corridor) across the Qinghai–Tibet Plateau traverses 670 km of permafrost and seasonally frozen-ground in the interior of the Plateau, which is sensitive to climatic and anthropogenic environmental changes. The frozen-ground conditions for engineering geology along the Corridor is complicated by the variability in the near-surface lithology, and the mosaic presence of warm permafrost and talik in a periglacial environment. Differential settlement is the major frost-effect problem encountered over permafrost areas. The traditional classification of frozen ground based on the areal distribution of permafrost is too generalized for engineering purposes and a more refined classification is necessary for engineering design and construction. A proposed classification of 51 zones, sub-zones, and sections of frozen ground has been widely adopted for the design and construction of foundations in the portion of the Corridor studied. The mean annual ground temperature (MAGT), near-surface soil types and moisture content, and active faults and topography are most commonly the primary controlling factors in this classification. However, other factors, such as local microreliefs, drainage conditions, and snow and vegetation covers also exert important influences on the features of frozen ground. About 60% of the total length of the Corridor studied possesses reasonably good frozen-ground conditions, which do not need special mitigative measures for frost hazards. However, other sections, such as warm and ice-rich or -saturated permafrost, particularly in the sections in wetlands, ground improvement measures such as elevated land bridges and passive or proactive cooling techniques need to be applied to ensure the long-term stability of thermally unstable, thick permafrost subsoils, and/or refill with non-frost-susceptible soils. Due to the long-history of the construction and management of the Corridor by various government departments, adverse impacts of construction and operation on the permafrost environment have been resulted. It is recommended that an integrated, executable plan for the routing of major construction projects within this transportation corridor be established and long-term monitoring networks installed for evaluating and mitigating the impact from anthropogenic and climatic changes in frozen-ground conditions.     

中国-俄罗斯原油管道工程(漠河-大庆段)冻土工程地质考察与研究进展

在2005-2007年期间,先后3次对中国-俄罗斯原油管道漠河-大庆段沿线的冻土工程地质条件等进行科学考察,开展了冻土工程地质条件及其在气候变化和人类活动作用下的评价和预测研究.考察研究结果表明:管道沿线多年冻土在各类融区、季节冻土和水系等分隔作用下呈片状或岛状分布,沿线岛状、稀疏岛状及零星岛状占多年冻土区段的40%左右;管道沿线多年冻土随着气候的转暖和人类活动的影响不断退化.地形地貌单元、植被分布、地表水分条件的变化等局部因素对多年冻土的分布和地下冰的赋存产生重要的影响,管道沿线大约分布有50 km左右的沼泽湿地,其表层为腐殖质土及泥炭层,泥炭层下面分布着含土冰层或地下冰,是管道沿线最差的冻土工程地质地段;由于中俄原油管道沿线水系发育多,冻胀丘、冰椎和冰幔等不良冻土现象广泛分布.科学考察的成果为管道沿线冻土工程地质条件评价和预测、管道的稳定性影响分析以及后期的长期检测系统设置等研究奠定坚实的基础,进一步为即将开工的中俄原油管道漠河-大庆段工程的设计、施工提供科学依据.     

青藏铁路冻土区土体冷生过程对路基变形影响

一般地区路基土体变形主要受土体压密过程控制,青藏铁路冻土路基变形则主要是受土体冷生过程影响和控制。通过对填土路基修筑后土体冷生过程以及工程实测数据分析,指出冻融过程不同阶段冻土路基变形与土体冷生过程有着密切关系。认为控制填土路基冷生过程稳定时间和填土路基地温场形态,是减少冷生过程和铁路长期运营过程中路基变形、保证冻土区路基工程长期稳定性的有效途径。此认识已经在青藏铁路冻土区路基工程建设实践中得到证明。     

青藏铁路多年冻土工程的研究与实践

青藏铁路建设需穿越高原多年冻土区, 在探明沿线多年冻土分布特征的基础上, 合理确定了青藏铁路线路的走向方案.在多年的冻土研究和工程实践的指导下, 有针对性地开展了 5 个不同类型冻土工程试验研究, 取得重要科研成果, 指导设计和施工.全面总结4 a来青藏铁路多年冻土工程的研究与实践, 提出了“主动降温, 冷却地基, 保护冻土”的设计思想, 制定了路基、桥涵、隧道成套工程技术措施和先进施工工艺, 对确保多年冻土工程质量发挥了重要作用.     

青藏铁路多年冻土区工程复杂性分析

青藏铁路穿越550km多年冻土区,多年冻土地温、冻土类型以及沿线生态环境等存在较大的差异,使多年冻土区工程较为复杂。因此本文提出了冻土工程复杂性概念,建立冻土工程复杂性评价模型,并利用GIS平台对青藏铁路沿线唐古拉山越岭地段工程复杂性进行了分析和研究。研究结果表明,青藏铁路穿越的唐古拉山越岭地段工程复杂性相对较小,而青藏公路的工程复杂性相对较大。这表明了青藏公路沿线冻土工程比青藏铁路沿线更为复杂,在各种因素的影响下,青藏公路路基稳定性变化比青藏铁路更加复杂。