块石路基对流特性实验研究

利用块石层调控冻土路基地温是冻土工程主动冷却路基的一种重要措施,并在青藏铁路重大工程建设中得到广泛应用.通过块石层中空气流动特性的深入研究,对其结构优化和效能提升具有重要意义,而不同温差条件下块石层中空气的流动特性,以及微风速的实际测定一直是其中亟待解决的问题.通过高精度微风速探测,首次获得封闭条件下块石层的空气流动特征.结果表明:在边界温度波动条件下,块石层内的降温过程与其内部自然对流过程密切相关,在对流作用下快速完成降温过程;升温过程则在相对较长时段内主要由内部的热传导换热完成,由此导致温度变化曲线非对称这一特殊现象的出现,并随深度增加而愈加明显.块石层上下端面的温差是对流发生及强度的关键控制因素,当温差达到一定量值时流速随温差的增加而加大,同时空气温度的变化也会对空气流动过程产生影响;块石层内整个空气流动过程是一个传递过程,也是热量传递的过程.该实验研究结果将对该种工程措施机理的进一步认识和改进、相关模拟计算参数的选取,以及在冻土区高等级公路等重大工程建设中的进一步有效应用均具有重要意义.     

碎(块)石路堤孔隙空气对流运动的Darcy定律适用性

针对青藏高原多年冻土区路基工程中采用的碎石路堤地温调控技术,分析了碎石层孔隙空气对流运动符合Darcy定律的适用范围及其可能偏离Darcy定律的非线性效应,并给出了考虑非线性效应的Darcy定律修正方程.同时,讨论了适合于路堤碎石层的空气渗透系数及其表征空气流动非线性效应的Ergun常数的估算公式.     

盐渍土与盐溶液冻结温度关系的试验研究

通过不同降温方式的冻结温度试验,明确了降温速率对土体冻结温度的影响,并采用快速降温方法,测定了不同含水率的三种天然氯（亚）盐渍土和黄土的冻结温度,以及不同浓度Na₂SO₄、NaCl溶液和由溶液配制的黄土的过冷温度和冻结温度,分析了降温速率、含水率、含盐量、盐类对土和溶液相变过程的影响。结果表明,快速降温得到的冻结温度值比缓慢降温得到的值偏低。当含水率低于盐渍土的塑限含水率时,水分是冻结温度的主要制约因素;当含水率大于土的塑限含水率时,天然盐渍土的含盐量对土的冻结温度起控制作用,Na₂SO₄含量控制含盐土的第一次相变,NaCl含量控制含盐土在低温下的第二次相变;低含盐量黄土含水率低于塑限含水率时,冻结温度随含水率增大而增大,但当含水率高于饱和含水率时,冻结温度随含水率变化不大。含Na₂SO₄的土和溶液的过冷温度变化规律与冻结温度变化规律类似,且其温度差值较小,通过Na₂SO₄溶液的冻结温度试验,可近似得到同浓度下含水率为16%只含Na₂SO₄黄土的冻结温度。     

瞬时排放泥沙颗粒团在横流中对流扩散特性的实验研究

河道维护、航道开挖及疏浚等一些工程,常常将挖掘的泥沙抛入流动的水体中,利用横流对泥沙颗粒团的对流扩散作用来稀释泥沙浓度.针对这类工程进行水环境质量影响评价时,首先要识别泥沙的运动特性.通过实验手段,研究不同级配的泥沙颗粒团瞬时排放后在横流中迁移扩散混合特性.实验结果表明,泥沙颗粒团进入水体后,在浮力、重力、阻力和横流紊动的综合作用下发生对流扩散;横流是产生泥沙对流运输的主要动力,横流的紊动作用,加强了泥沙颗粒团与水体的混合作用,并且破坏了其在静水中的双漩涡结构,因此大大地增加了垂向前锋位置和纵向扩散宽度.通过分析得出了无量纲泥沙颗粒团垂向前锋位置与时间、纵向扩散宽度与时间以及垂向前锋位置与纵向扩散宽度的3个关系式中的参数(α₁、α₃和α₂)均值及其变化范围,可应用于抛泥对水体环境的影响评价.     

冻土区块石护坡路基调温效果试验研究

块石护坡调温路基是多年冻土区铁路设计中所采取的一种积极保护冻土的措施,该调温过程包括暖季的热屏蔽作用和冷季的对流降温两个方面。根据现场观测资料,对两种不同粒径的块石层下地温热状况给予了初步分析。结果表明,暖季小块石层（粒径为50～80 mm）的热屏蔽作用要优于大块石层（粒径为400～500 mm）,而冷季大块石层的对流降温作用要强于小块石层;综合一个暖冷季循环周期来看,大块石层的调温效果要好于小块石层。块石护坡路基下0 ℃等温线大部分已基本接近原天然地表。初步认为,此种发展趋势有利于路基的稳定。     

湿空气对开放块石层湿热特性影响的试验研究

青藏高原暖湿化趋势日益加剧,空气中的水汽质量分数随季节变化差异较大致使空气物性参数、焓值等产生变化,可能会间接影响块石路基的换热过程。本文基于模型试验及空气热力学理论,对等压条件下干、湿空气中块石层内湿热特性进行了分析。结果表明:在等压条件下干、湿空气温差与水汽质量分数呈正相关关系,且水汽质量分数变化速率低于温差变化速率8%。基于地表能量平衡方法计算了考虑水汽影响的块石表层感热通量,发现两种空气条件下的感热通量差值与水汽质量分数也呈正相关关系,此时水汽质量分数变化速率高于感热通量差值变化速率9.8%。日出后干、湿空气与深层块石的对流换热差值主要受空气相对湿度控制,日落后由于干、湿空气温差较大则受空气温差影响。水汽质量分数较低时,干、湿空气焓值差变化速率高于水汽质量分数变化率约87%,焓值差变化率高于水汽质量分数变化率约21%,该现象随着水汽质量分数下降而愈加明显。研究结果对于评价和预测湿空气条件下块石结构路基的长期热稳定性具有重要工程意义。     

土的冻结温度与过冷温度试验研究

通过不同降温条件的冻结试验,明确了土中出现过冷的条件。当环境温度高于土的最低过冷温度时,土表现出稳定的过冷状态;当环境温度低于最低过冷温度时,边界出现短暂过冷,而土样内部不出现过冷。通过分级降温的方法测定了不同含水率的粉质黏土和细砂以及不同NaCl浓度的粉质黏土的冻结温度和最低过冷温度。当含水率等于或高于饱和含水率时,含水率对冻结温度影响不大;当含水率低于饱和含水率时,冻结温度随含水率减小而降低;不同含水率土样的最低过冷温度相差不大;冻结温度降低随NaCl浓度增大的比例系数与理想稀溶液中水的凝固点降低系数非常接近。结合稳定冻结时间、冻结温度、环境温度或最低过冷温度引入了能间接反映自由水含量的指标。     

脆性岩石全应力-应变过程渗流特性试验研究

为了探讨岩石在整个变形过程中渗透性变化特点,取三峡永久船闸高边坡花岗岩与山西万家寨水电站高边坡灰岩试样分别进行不同围压条件下全应力-应变过程渗流试验。试验结果表明：岩石在破坏前后不同变形阶段渗流特性具有明显不同;岩石变形过程渗透性与变形破坏形式密切相关。在试验基础上进一步探讨了岩石全应力-应变过程渗流特点之机理,为研究水电工程节理裂隙岩体应力场与渗流场耦合问题提供有价值的支持。     

含石量对软质岩土石混合料土力学特性影响研究

在中国西南地区边坡工程中大量存在含软岩的土石混合体（S-RM）,其力学特性与软岩破碎特性有别于以往研究的块石强度较高的土石混合体。本文通过大型室内剪切仪开展了不同含石量（WBP）的剪切试验研究含石量对软岩土石混合体力学特性的影响,基于筛分试验研究软岩块石破碎特性,结果表明:当S-RM密度一定时,随着WBP的增加,S-RM剪切强度增加,应变硬化现象增强;S-RM黏聚力随含石量的增加呈线性增长,内摩擦角在含石量为20%~60%时随含石量的增加呈线性增长;S-RM在剪切破坏过程中软岩块石出现破碎现象,当法向应力一定时,块石破碎率随土石混合体含石量增加而增长;S-RM块石破碎率随内摩擦角增加呈指数形式增长,表明块石之间咬合作用越大,块石的破碎程度越高。     

300年以来古里雅冰芯中温度与降水量的关系及其原因探讨

对古里雅冰芯中所记录的３００ａ以来的降水量指标（冰川积累量）和温度指标（δ＾１８Ｏ）的详细分析表明,古里雅地区温度和降水量之间有较好的依存关系。在相对较长的时间尺度上,降水量的正距平必然对应着温度的正距平,反之亦然。但降水量的变化滞后于温度的变化约２０￣４０ａ,这可能不仅与海陆比热的差异有关,而且也可能与温度－降水量－植被－含水量等之间的正反馈过程有关。若考虑这种时间滞后,从某种程度上,可以通过温     

高温冻土地区高等级公路片块石路基降温效果分析

基于长期、连续的地温观测数据,对位于共和至玉树高等级公路沿线、平均海拔为4 260 m且处于高温冻土区的片块石路基温度、热状态、冻融循环过程和冻土人为上限及变化速率等进行了分析,研究了沥青混凝土和水泥混凝土路面对片块石路基下伏多年冻土的影响,以期对其适用性进行评价。研究发现,沥青混凝土路面的铺设使路基吸收了较多的热量,促使下伏多年冻土升温,导致多年冻土快速退化。观测期内,高温冻土地区沥青混凝土路面下片块石路基中心冻土退化速率为33.5 cm/a,几乎是天然地基的5倍。而且路基阴阳坡效应严重,阳坡路肩冻土退化速率为33.0 cm/a,明显大于阴坡路肩(22.0 cm/a)。与沥青混凝土路面相比,水泥混凝土路面较高的热反射率、较小的热辐射吸收率,有利于抬升冻土上限或减缓冻土退化速率。但在观测期间,发现处于高温冻土区的高等级公路片块石路基在沥青混凝土路面下融化盘面积增长速率为12.24 m²/a,而在水泥混凝土路面下为9.28 m²/a,即融化盘面积以不同程度的速率始终在增大。因此,单纯的片块石层的存在和路面类型的改变,并未彻底解决高温冻土区高等级...     

融化夹层厚度影响因素分析与片块石路基降温效果研究

青藏公路沿线存在大量融化夹层,常年不冻的融化夹层会使路基出现沉陷、波浪等病害,严重威胁道路的安全运营. 通过对昆仑山垭口南至五道梁的地质勘探资料和地温观测数据进行分析,研究了融化夹层厚度与年平均地温、路基高度的关系,发现融化夹层厚度随年平均地温的升高而增大,随路基高度的升高呈先减小后增大的趋势. 根据以上研究,提出片块石路基对融化夹层进行处治,保护路基下伏多年冻土,并通过五道梁段片块石路基试验工程进行验证. 通过对地温观测数据分析,发现片块石路基能很好的消除融化夹层,在同一深度处片块石路基地温明显低于普通路基,很好的保护了下伏多年冻土.     

低温条件下塑料土工格栅拉伸特性的试验研究

通过对塑料土工格栅在低温条件下的拉伸试验,得到拉伸屈服力、屈服伸长率、不同伸长率对应的拉伸力等数据,试验数据分析表明：（1）塑料土工格栅在低温状态下抗拉伸能力明显提高;（2）低温条件下,塑料土工格栅肋条截面积越大,拉伸力随温度降低而提高的幅度越大,屈服伸长率随温度的降低而下降的趋势越明显;反之,拉伸力受温度降低的影响逐渐减弱,屈服伸长率受温度降低的影响越小;（3）塑料土工格栅冻融循环后,与未冻融试样对照,拉伸特性没有降低。     

浅层地温场中热对流数值模拟

温度示踪的研究区域大多在地表浅层,浅层地温场主要受气象和水文影响。气温波动可用傅立叶级数精确表示,由此建立了在表层气温和垂向水流共同影响下的浅层地温场瞬态分析模型,用Laplace变换的方法得到其解析解,并用有限元模拟了垂向水流对浅层地温的影响。模拟结果表明：浅层地温有季节波动,在地下水补给区,气温波动振幅衰减速率明显减缓,表现为表层气温波动可以影响到更深的深度;在排泄区,温度波振幅衰减很快。另外,还模拟了水平集中渗漏带附近的瞬态温度场,发现由于热对流的传热能力远大于热传导,强渗漏带温度迅速与补给源温度相一致,温深剖面出现异常,温度异常带形成后,继而通过热传导改变较大范围内地质体热量分布。离低温补给源越近,地质体降温越快,温度改变越多;反之则越慢,温度改变越少。因此,由温深剖面的温度异常,可精确探查渗漏带位置。     

青藏高原多年冻土区活动层水热特性研究进展

青藏高原多年冻土作为我国冰冻圈的重要组成部分, 其水热状况是影响寒区生态环境、 陆气间水热交换、 气候变化以及地面路基建设等的重要因素。为增进对青藏高原多年冻土区活动层水热特性的认识, 对影响活动层水热特性的主要因素以及主要研究方法做进一步梳理, 并指出了当前研究中的不足。研究认为, 气象条件、 植被覆盖度、 土壤性质、 积雪等是影响多年冻土区活动层水热过程的主要因素, 目前针对活动层水热特性的研究主要通过对站点实测资料分析和模型模拟等方式展开。未来工作的重点应放在改进适合于高寒山区的陆面模式以及增强水热动态过程与气候系统的相互作用上。     

多年冻土区高寒草甸根系分布与活动层温度变化特征的关系

多年冻土区植物根系的地下分布格局是其适应高寒、反复冻融作用等特殊环境条件的重要体现.针对目前青藏高原高寒植物根系研究不足的现状,对青藏铁路沿线高寒草甸植物群落根系的分布特征及多年冻土活动层地温变化等进行调查观测.研究高寒植物群落根系在活动层土壤中的垂直分布特征,重点探讨多年冻土活动层温度变化对于高寒植物根系分布和格局的影响,揭示植物根系对冻土环境变化的响应特征及其对逆境条件的适应策略.研究结果表明:活动层季节性冻融对于高寒植物和地下根系分布格局具有深刻的影响,多年冻土表层最先具备适宜根系生长的温度和水分条件,导致高寒草甸根系分布浅层化,生物量大量累积在土壤表层,并随深度增加而减少.高寒草甸地下平均总根量为3.38 kg·m^-2,0~10 cm土层根量密度平均为21.41 kg·m^-3,约占地下根系总量的63.4%.高寒草甸植物群落具极高的根茎比,活动层长期的低温环境增加了根系的干物质总量和高寒植物总的生物产量.活动层0℃以上积温是根系分布的主要影响因子.     

Effect of property variation and modelling on convection in a fluid overlying a porous layer

An accurate computational analysis is presented for the onset of thermal convection in a two‐layer system which is comprised of a saturated layer of porous material described by Darcy's law, over which lies a layer of the same saturating fluid. The two‐layer system is heated from below and the upper (fluid) surface is allowed to be fixed or stress free. The onset of convection may have a bi‐modal nature in which convection may be dominated by the porous medium or by the fluid depending on the depths of the relative layers, but this is strongly controlled by material parameters. The effect of variation of relevant fluid and porous material properties is investigated in detail, as is the effect of the interface boundary condition between the fluid and the porous medium. Copyright © 2001 John Wiley & Sons, Ltd.     

Experimental and numerical study of pollution process in an aquifer in relation to a garbage dump field

The water quality of shallow aquifers that have direct relationship to human heath and ecological safety has been seriously threatened by widespread dumping of industrial solid waste, urban and rural garbage. A garbage dump field with hydrogeological, environ-geological characteristics typical of the Beijing plain was selected for investigation. A hydrogeological model was constructed and the equations used to describe pollutant transport in one-dimensional (1D) steady, uniform groundwater flow to investigate the transport/diffusion processes. In addition to the coefficients for calculation, diffusion coefficient and other coefficients of the aquifer were obtained by conducting in situ diffusion experiments and sample tests. Velocity and scope of pollutant transport/diffusion process were calculated. Accordingly, the real pollution situation in the aquifer was evaluated through in situ drilling and sample testing. Transport/diffusion processes of pollutants within the aquifer abide by the solute equation applicable to 1D steady flow. The transport and diffusion dominate in the direction of groundwater flowing at a speed of about 120 m per year. Comparably, the lateral diffusive width is much smaller. Pollution degree decreases by the law of Y=1.08 exp(33.533/X), where Y is the distance from the garbage dump field and X is the overall pollution index.