青藏高原多年冻土热融灾害发展预测

青藏高原多年冻土区是世界上中低纬度多年冻土面积最大的区域,气候变化引起青藏高原多年冻土区年平均地温上升、地下冰融化、多年冻土退化等问题。借助ARCGIS技术手段,通过地下冰计算模型和Stefan公式计算研究区不同气候变化情景模式下的地下冰体积含冰量和活动层厚度变化。结果表明:在未来几十年内多年冻土的分布范围将不会发生显著变化,多年冻土的主要退化形式为地下冰的消融、低温冻土向高温冻土转化;但本世纪末多年冻土将发生大范围的退化。这一过程将引起热融滑塌、热融沉陷等冻土热融灾害。将Nelson热融灾害风险性评价模式进行修正,对研究区灾害风险性进行评估区划。最大的危险区主要分布在西昆仑山南麓、青南山原中部、冈底斯山和念青唐古拉山南麓、喜马拉雅山南麓部分区域,在未来几十年内有加剧的趋势。     

青藏工程走廊典型热融灾害现象及其热影响研究

在全球变暖及人类工程活动的影响下,青藏工程走廊内的热融灾害普遍发育。研究走廊内各类热融灾害的发育现状及其对多年冻土的热影响对今后的工程规划和冻土环境保护具有一定的指导意义。本文通过大量的野外调查工作,总结了走廊内热融灾害的类型及其发育现状,并选取3种典型热融灾害进行现场地温监测,分析其对多年冻土的热影响方式和程度。研究结果表明:3种热融灾害对其发育区域及附近的多年冻土都产生了巨大的热影响,热融滑塌和热融沟主要影响浅层的地温状况,而热融湖塘的影响范围更大,其发育甚至会导致湖塘下部形成多年融区。此外,侧向热流计算结果表明,3种热融灾害全年都在向其周边的多年冻土放热,通过对比发现热融湖塘的侧向热侵蚀能力最强,其次是热融沟,侧向热侵蚀最小的是热融滑塌。     

青藏工程走廊冻土环境工程地质区划及评价

文章采取层次分析和综合评判的三级区划方法,分别考虑冻土的类型、热稳定性和含冰（水）量,将西大滩至安多间的青藏工程走廊划分为3个工程地质区、20个亚区和51个地段,按区（段）简要评价了冻土工程地质条件和寒区环境.文章对青藏工程走廊进行了较全面的冻土工程和寒区环境工程地质综合评价,能为工程设计、施工和运行维护、融冻灾害整治和环境管理提供科学依据.     

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。     

青藏直流联网工程多年冻土区砼灌注桩基础长期热稳定性预测研究北大核心CSCD

对于冻土工程而言, 基础热稳定性是决定工程稳定性及服役性能的关键. 为预测±400 kV青藏直流联网工程多年冻土区砼灌注桩基础的长期热稳定性, 建立了考虑相变问题的二维数值传热分析模型, 应用有限元方法研究了气候变暖背景下, 不同年平均地温、不同含冰量条件下灌注桩基础传热特性和长期热稳定性. 结果表明： 单桩对周围土体的热影响范围是桩径的4~5倍, 桩基周围融化深度随时间推移而增大, 在低含冰量的高温和低温冻土区桩基50 a后最大融化深度分别为6.65 m和3.05 m, 所对应的冻土上限平均融化速率分别为9.5 cm·a-1和3.6 cm·a-1;在高含冰量的高温和低温冻土区50 a后最大融化深度分别为5.25 m和2.77 m, 其冻土上限平均融化速率分别为6.7 cm·a-1和2.0 cm·a-1. 在气候变暖背景下, 桩基上部周围冻土逐渐升温、融化, 50 a后, 在低含冰量的高温冻土区桩基由于融化深度增大导致有效冻结长度减少28%, 在高含冰量的高温冻土区桩基的有效冻结长度减少15%, 桩侧冻结力随之相应减小. 该研究对于冻土区桩基长度设计、桩基工程的维护和冻土稳定性评价提供了重要的科学依据.     

冻土融沉系数的评价方法

融沉系数是估算冻土融化后沉降量的重要参数指标。融沉系数与冻土中的含冰量和干容重有关，含冰量大则冻土融化后的沉降量大，因此融沉系数大，在饱和状态，干容重较大的冻土，融沉系数较小，基于冻土融沉试验结果分析，建议引入界限孔隙率以此界定过大的冰含量完全用于沉降。将融沉分为3个状态来分析：非饱和、饱和以及过饱和(超过界限孔隙率状态)，给出的3个状态下的融沉系数计算方法与实验测试结果对比，具有较好的预报结果，从而使得融沉系数更容易评价。     

青藏高原重大冻土工程的基础研究

青藏高原是我国乃至世界高海拔多年冻土区的典型代表。伴随着青藏铁路的建成通车,西藏自治区迎来了新一轮经济发展,迫切需要新建高速公路、输变电线路、输油气管道工程等。这些拟建工程与已建的青藏公路、青藏铁路、格拉输油管道、兰西拉光缆等工程均聚集于宽度不足10km范围内的青藏工程走廊。在这狭长的冻土工程走廊内,已修建或拟建的各种冻土构筑物相互影响,多因素耦合叠加,加速区域内的冻土退化,而冻土融化必将影响到工程的稳定性和生态环境退化。再加上全球气候变化的影响,其变化程度更加剧烈。面对国家需求,国家重点基础研究发展项目"青藏高原重大冻土工程的基础研究"于2012年4月正式启动。该项目旨在揭示气候变化与人类工程活动加剧背景下冻土变化及灾害时空演化规律,建立冻土工程稳定性和服役性能评价体系,提出冻土工程灾害防治理论与控制对策,为冻土构筑物群灾害应急预案和重大冻土工程建设提供科学决策依据。     

高温-高含冰量冻土压缩变形特性研究

高温-高含冰量冻土属于塑性冻土, 荷载作用下具有较强的压缩性.为了研究高温-高含冰量冻土的压缩变形特性, 采用恒温-变载的试验方法得到了不同温度(-0.3、 -0.5、 -0.7、 -1.0、 -1.5℃), 不同含水量(40%、 80%、 120%)条件下冻土试样的体积压缩系数.结果表明: 1)高温-高含冰量冻土具有极大的压缩性, 青藏黏土40%含水量试样在-0.3℃时的体积压缩系数可达0.328 MPa^-1, 属于高压缩性土; 2)高温-高含冰量冻土在压缩过程中存在渗滤变形, 且主要发生于加载的初始阶段; 3)温度与含冰量是影响高温-高含冰量冻土压缩性的主要因素, 它们决定了冻土中体积未冻水的含量, 从而控制了冻土的压缩性; 4)在试验条件下, 高温-高含冰量冻土的压缩性随着温度的升高而增大, 随着含水量的增大而减小.高温时含水量对压缩性的影响比较显著, 低温时影响较小.     

融沉系数的人工神经网络预测方法

分析了前人关于融沉系数经验方法的研究结果,结果显示,与融沉系数关系最为密切的物性参数为液塑限、粉黏粒含量、干密度和含水量（含冰量）．为了能够综合描述诸因素与融沉系数的经验关系,以兰州黄土和青藏黏土为试验对象,得到了两种具有不同物性参数的土在不同含水量和干密度条件下的融沉系数．采用BP神经网络算法对试验数据进行学习训练,...     

冻土区输电线路塔基选位的影响因素分析

青海西藏500kV直流联网输电线路工程跨越整个青藏高原,其生存环境不可避免与冻土有着紧密联系,冻土特有的冻胀、融沉特性给线路的勘测、设计、施工及后期运营带来了极大挑战。本文对取自青藏高原的原状和重塑冻土样样品进行了物理力学试验。结果表明:同种土在不同含冰量下,随含冰量的增大,则冻融特性敏感性增强;不同性质的土,在含冰量相同的情况下,颗粒越细,则冻融特性越敏感。同时,分析认为:塔基地质环境、不良冻土现象、不同地貌单元、冻土的热稳定性特征及施工作业便捷性等都是影响塔基稳定性的重要因素。     

天山公路独山子至乔尔玛段冻土特征及其灾害初探

独山子至乔尔玛段公路位于天山达坂海拔较高处,沿线多种冻害(包括热融滑塌、冻胀、冻融泥流及路基融沉等)经常发生,随着整治改建工程的实施,逐渐改变了地气热交换的界面,多年冻土原有的水热平衡遭到了破坏,其结果是通过路基进入多年冻土的热收支呈正平衡发展趋势,积热作用导致了路基下多年冻土的融化,将会引起公路的融化下沉,冻土灾害将趋于严重,本文初步探明了该公路沿线多年冻土的特征,提出了施工和运营中应采取保护冻土的设计原则.     

多年冻土区输油管道工程中的(差异性)融沉和冻胀问题

多年冻土区石油和经济开发不断推动输油管道技术的发展,但是多年冻土区输油管道的(差异性)融沉和冻胀问题仍是关键性难题.寒区管道设计和施工必须考虑沿线的地形和环境条件对冻胀和融沉,以及相应的管道工程基础和结构整体性的影响.阿拉斯加输油管道工程取得成功的原因在于充足的科研投入、讨论和决策时间,以及最终采用的一系列创新设计来保护多年冻土和抑制融沉.这些研究围绕的关键问题是温热油管在多年冻土中的水热效应和差异性融沉和冻胀所导致的管道变形破坏,这些研究对可能出现问题的及早发现、充分理解和正确预测以及最终合理的设计、施工和维护至关重要.罗曼井和格拉线环境温度输油管道在20a左右的运营中,冻胀和融沉都比较显著.准确预测管道和围岩土的冻胀和融沉需要详细的观测研究和模拟试验相结合.在预测的基础上,针对具体问题抑制融沉和冻胀.成功设计、施工和运行寒区输油管道需要科学家、工程师、业界人士和管理部门密切合作.     

Thermal Characteristics of the Embankment with Crushed Rock Side Slope to Mitigate Thaw Settlement Hazards of the Qinghai-Tibet Railway

Abstract: Permafrost (perennially frozen ground) appears widely in the Golmud-Lhasa section of the Qinghai-Tibet railway and is characterized by high ground temperature (≥ ?1°C) and massive ground ice. Under the scenarios of global warming and human activity, the permafrost under the railway will gradually thaw and the massive ground ice will slowly melt, resulting in some thaw settlement hazards, which mainly include longitudinal and lateral cracks, and slope failure. The crushed rock layer has a thermal semiconductor effect under the periodic fluctuation of natural air. It can be used to lower the temperature of the underlying permafrost along the Qinghai-Tibet railway, and mitigate the thaw settlement hazards of the subgrade. In the present paper, the daily and annual changes in the thermal characteristics of the embankment with crushed rock side slope (ECRSS) were quantitatively simulated using the numerical method to study the cooling effect of the crushed rock layer and its mitigative ability. The results showed that the ECRSS absorbed some heat in the daytime in summer, but part of it was released at night, which accounted for approximately 20% of that absorbed. Within a year, it removed more heat from the railway subgrade in winter than that absorbed in summer. It can store approximately 20% of the “cold” energy in subgrade. Therefore, ECRSS is a better measure to mitigate thaw settlement hazards to the railway.     

中俄原油管道漠大线运营后面临一些冻害问题及防治措施建议

基于世界上几条多年冻土区修建输油气管道的经验,结合我国境内的中俄原油管道漠河－大庆段（漠大线）现场调查、油温监测和探地雷达等勘察结果,研究漠大线运营后可能面临的主要冻害问题、形成过程、影响因素、成灾机制、管道影响,提出预防和防治措施建议及进一步需要研究的主要问题。研究发现,目前漠大线面临的主要冻害问题包括融沉、冻胀丘、冰椎、冻土斜坡、冰刨蚀和潜在冻胀等,在管道持续运行和环境条件改变下,这些冻融灾害可能对管道造成一定的不利影响甚至破坏。现场油温监测显示,在2011年和2012年最低和最高油温分别为0.42 ℃和16.2 ℃,全年的正油温运行是造成目前管道周围冻土融沉的主要原因。冬季部分地段出现的冻胀丘、冰椎以及浮冰对管道形成一定的潜在威胁。研究成果为中俄原油管道漠大线以及规划建设的中俄原油管道二线、中俄输气管道、格尔木－拉萨输油管道改造工程以及其他多年冻土区输油气管道设计、施工、运营和维护提供参考和依据。     

漠河-加格达奇段多年冻土区中俄原油管道运营以来的次生地质灾害研究——以MDX364处的季节性冻胀丘为例

通过对中俄原油管道漠河-加格达奇段多年冻土区的现场勘查研究, 统计了管道运营以来出现的冻土次生地质灾害主要有冻胀、融沉、水毁、冻胀丘、冰椎等. 在研究区域特定的气候背景下, 管道的修建和季节性变化的正油温运营, 破坏了管道周围冻土的水热平衡, 使得管道周围土体出现差异性冻胀和融沉, 这种差异性位移量的累积对管道安全稳定长期运营造成了威胁. 以管道里程MDX364处的冻胀丘为例, 利用探地雷达进行了现场探测. 结果表明: 管道周围存在的融区为冻胀丘的发生和发展提供了水源补给通道, 管道的热影响加速了冻胀丘的发展和消融, 2014年3-10月管道周围地表产生的差异性位移超过了1.1 m. 针对该次生开放型季节冻胀丘, 提出了修筑或疏通管道附近的排水通道、钻孔放水和保温排水渗沟等防治措施. 研究成果能为中俄原油管道的安全稳定运营提供技术支撑, 为其他冻土区管道设计施工和运营维护提供参考和依据.     

陆地表层地质环境质量综合评价与地质灾害系统分析——以广东沿海地带为例

将广东沿海陆地表层地质环境划分为构造稳定性、坡面稳定性和地基稳定性三个评价层面 ,其中包括由 9个指标构成的评价指标体系 ;确定了各指标的权重和五级分级标准和环境质量的五级标准 ;使用模糊数学综合评价模型将广东沿海 190个评价单元划分为 2 2个地质环境质量区。在灾害基本数据库和灾害时空分布分析的基础上 ,划分了 9个地质灾害一级分区及 32个二级分区 ,确定了地质环境、气候气象和人为活动因素三大类致灾主控因子 ;构造了三种地质灾害系统的概念模型和灾害预测指标体系框架 ,建立了地质灾害地理信息系统。     

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。     

粉砂土反复冻胀融沉特性试验研究

针对深季节冻土区的特殊环境,通过室内试验研究了粉砂土在不同初始含水率、干密度、荷载、冻融次数条件下的反复冻胀、融沉特性。研究结果表明：粉砂土的冻结温度为-1.03 °C;其冻胀融沉变形随冻融次数的增加呈现波浪式起伏变化,并最终趋于稳定状态;经历多次冻融后,干密度较大试样整体表现为膨胀,干密度较小试样整体表现为压密;上部荷载在抑制冻胀的同时加大了试样的整体融沉变形,却降低了每次冻融的冻胀率和融沉系数;存在一个最优初始含水率,该含水率条件下,试样经历多次冻融后的高度不发生变化;由于外界水源的补给,冻融后试样内部含水率均大于初始含水率;干密度和顶端荷载的增大均有效地抑制了外界水源的补给;4次冻融循环后,粉砂土的冻胀率、融沉系数均逐渐趋于稳定。