青藏高原多年冻土区埋地输气管道周围温度场数值分析

通过建立管道与多年冻土热相互作用的计算模型,利用数值分析方法探究了不同管温（输运温度）工况下冷输天然气管道对管周土体冻融过程和多年冻土热稳定性的影响。研究表明：5℃正温输运天然气管道可造成下覆冻土上限下降约11倍管径,管周多年冻土退化严重;0℃输运会导致管底下部高温不稳定冻土范围扩大,管底土体强度及承载性能降低,不利于保持多年冻土和管道运营稳定性;-1℃和-5℃负温输运可有效提高冻土人为上限,保持管底冻土温度稳定,但-5℃时管道下部土体温度降低明显,可能导致冻胀病害发生。就管周冻土热稳定性而言,在青藏高原多年冻土区采用冷输（负温输送）工艺输运天然气有利于保护管周多年冻土,是可行的。     

东北多年冻土区埋地输油管道周围温度场特征非线性分析

为解决冻土区输油管道周围土壤的温度计算问题,根据考虑相变瞬态温度场的控制微分方程,应用Galerkin法推导出了二维温度场的有限元计算公式.以东北多年冻土区中俄原油管道工程为背景,根据该工程区的冻土条件和气候条件,应用该方法对温热型输油管道土壤温度场进行了计算预报与对比分析.结果表明:对于输送油温为15 ℃、直径为0.914 m以及管顶埋深为2.0 m的管道,在没有铺设保温材料情况下,管顶之上的土壤在管道运行的第1年就达到热平衡状态,同时土壤融化速率在第1年达到最大,随后4a时间里迅速减小,第5年后融化速率变化趋于稳定;管道运行一段时间后,管道周围的融化圈随冷暖季节的变化呈交替式的扩展;在管道运行30 a后,融深＞10 m,即管底下的融化层厚＞7 m,而在铺设5～8 cm的聚氨酯保温材料后,融深控制在3.08～3.88 m,即管底下融化层厚为0.2～1.0 m.因此,合理使用保温方法能有效防止冻土区管道冻害的发生,同时达到保护冻土环境的目的.     

渗流对多年冻土区路基温度场影响的数值模拟

运用传热学理论和渗流理论导出了路堤侧向有地表积水入渗情形下,多年冻土区路基温度场渗流场耦合作用的控制微分方程,然后以现场观测资料为基础,用Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元方法对青康公路（２１４国道）花石峡冻土研究站１号试验路段路基温度场未来可能的变化状态进行了数值预报。结果表明,若无渗流作用,５ａ后路堤左侧天然地表、路堤堤身和路堤右侧天然地表的最大季节融深分别为１．４ｍ,３．２ｍ和１．４ｍ;若有渗流作用,则     

青藏铁路隧道浅埋多年冻土区冻融特征分析

本文根据一个寒季末的地温观测资料，分析了昆仑山隧道的一个多年冻土沟谷地形的地温特征。采用数值模拟技术，模拟该沟谷地形地温变化情况，认为该区沟谷的冻融特征不同于非沟谷地形，其融化深度远大于该区的冻土上限，从而得出该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,受气温影响的最大融化深度不超过4m,本研究为再认识多年冻土区沟谷地形的冻融特征提供了一条途径。     

下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响

在气候变暖背景下,北半球多年冻土呈现不同程度的退化趋势,冻土升温、活动层增厚、地下冰消融改变了区域工程地质条件、地形地貌,不仅对寒区环境和工程稳定性造成潜在的威胁,还影响着这些地区的气候、水文和生态过程.因此,准确评估和预估多年冻土热状况的变化具有重要科学和实践意义.现有用于模拟多年冻土热状况的各类模式重点考虑了近地表...     

多年冻土区姜路岭隧道施工水热力数值研究

姜路岭隧道地处青藏高原多年冻土地区,其高海拔、高寒、缺氧环境下多年冻土及软弱大变形围岩的公路隧道设计施工技术属国内乃至亚洲首例,也是共（和）玉（树）高速公路重难点控制性工程。为研究姜路岭隧道施工过程中的水热力（变形）状态及其演变,采用冻土工程水热力耦合计算理论及数值仿真程序,模拟了该隧道三个关键施工步骤的水热力分布规律,以此提出了隧道修建过程中的重点监测位置及注意事项。研究成果可为姜路岭多年冻土隧道的设计施工提供理论指导和技术支持,进而为类似寒区隧道工程的设计和施工提供参考依据。     

多年冻土地基正温输气管道地温场实测及分析

我国有多条油气管道位于多年冻土地区,工程问题层出不穷。因输送介质处于正温状态,其所释放热量对管道周围冻土冻融过程有极大影响。为阐明正温管道对多年冻土温度场及冻融特征的影响,基于西部某多年冻土区正温输气管道现场实验,对管道地基温度场进行了为期1年的现场实测。数据分析表明,多年冻土天然上限为1.5~2.0 m;土体融化期及冻结期分别为6-10月、11-次年5月;监测段多年冻土热量收支基本平衡,属于不稳定冻土,在外界热扰动下极易退化;正温输气管道的存在引起了多年冻土的退化且对其温度场有很大影响,水平方向影响范围约1.5 m,管下最大融深可达7.0 m。同时指出了针对处于临界状态的多年冻土,在基于对其全面、深入了解的基础上,越早考虑相关工程建设带来的热扰动对多年冻土的不利影响,则处置难度越低且损失越小。     

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.     

青藏铁路多年冻土区路堤人为上限与融化夹层的数值模拟分析

初始温度场采用实测温度场,相应的物理参数通过实测地温数据用有限元方法反演得到,计算结果的可靠性由实测数据验证。用这种方法对3种结构形式4个实测断面的青藏铁路多年冻土区清水河试验段路堤的人为上限和融化夹层进行了数值模拟分析。计算结果表明,从人为上限形态及融化夹层范围和面积两方面来看,相同路堤高度情况下,片石通风—碎石护坡组合路堤优于片石通风路堤,而片石通风路堤优于普通路堤;对于同类型的路堤,高路堤优于低路堤。这种不同路堤结构形式的优劣性排序,可为多年冻土区路堤设计提供理论依据和技术支持。     

风沙堆积对下伏多年冻土影响的数值模拟

青藏高原沙漠化所产生的风沙堆积作为一种重要局地因素,其对下伏多年冻土的具体影响目前尚未清楚。通过数值方式,模拟了红梁河沙害严重地区高温退化型多年冻土在13种厚度的干湿风积沙覆盖下10年内的变化情况。结果表明：在土体浅层,沙层越厚,地温较差越小,且干沙下地温较差变化幅度明显大于湿沙;干沙越厚,最大季节融深越小,湿沙则对最大季节融深影响微弱;积沙无论干湿,沙层越厚,冷暖季年热循环量均越小,且干沙下年热循环量变化幅度明显大于湿沙。因此,风积沙对其下伏多年冻土退化有不同程度减缓,沙层越厚,减缓作用越强,且干沙减缓多年冻土退化的能力明显强于湿沙。     

高原多年冻土隧道施工温度场控制的主要因素

施工温度场的控制对于多年冻土隧道的施工有着重要的意义. 结合青藏铁路昆仑山、风火山隧道的设计与施工, 通过对施工过程中环境温度的测试, 综合分析冻土稳定、混凝土施工、施工人员及施工机械等各方面的因素对施工环境温度的要求, 提出了适合于青藏铁路高原多年冻土隧道的施工环境温度控制范围.     

青藏铁路沿线多年冻土区地温场变化规律

青藏铁路通过约550km的多年冻土区,统计和分析青藏高原多年冻土分布区主要气象台站的资料可以看出,近30a来高原多年冻土区的气候变化总的趋势是向着气温升高的方向发展的,气温的变化对多年冻土热状态的扰动主要表现在地温场的变化上.30多年来高原气温升高0.45℃左右,并引起冻土地温平均升高了0.2～0.3℃.分析青藏铁路通过的多年冻土地区典型地段测温孔资料,发现多年来气候转暖已经使冻土上部(20m以上)地温明显升高,影响深度已经波及到了40m.     

多年冻土区铁路通风路基室内模型试验的温度场特征

根据多年冻土区铁路通风结构路基室内模型试验的研究, 分析了模型路基典型部位的温度随时间的变化情况, 及整个路基3个典型断面在冻结期结束和融化期结束时的温度场特征. 结果表明: 路基底部温度变化与气温变化趋势不一致; 路基上部温度变化与气温变化趋势一致, 但存在滞后现象; 沿着风向方向, 在冻结期, 路基温度分布比较对称, 但在融化期, 就形成不对称分布; 除了在通风管中部上方小部分有明显不同外,通过通风管中心轴断面的温度场特征与两通风管间断面的温度场分布特征在同一时刻是相似的.     

多年冻土区路基路面变形及应力的数值分析

针对青藏公路路基下发育多年冻土融化盘的实际情况,选择两种模型,应用ABAQUS有限元分析软件,对冻土路基从修筑到开放交通过程中的路基路面位移及应力进行了分析.结果表明:冻土路基以融沉为主的变形,一般情况下以路中心下最大,变形呈凹形;当路基下融化盘偏移时,最大变形位置随之偏移;路面层底拉应力最大,对融沉变形反映敏感;路面顶部压应力最大值出现在轴载作用位置,面层应力对轴载反映敏感.计算模型断面尺寸、路基填料、路面结构等对青藏公路具有代表性,在3.6 m路基总高度条件下,无论路基下融化盘偏移与否,融化盘厚达0.5 m时路基顶部(路面层底)拉应力即达基层抗拉强度,显示路基融沉变形可能导致路基失稳及路面破坏,此时路基高度即达最大值.     

多年冻土地区路基变形场和应力场的数值分析

为了研究冻土的冻胀特性对公路路基稳定性的影响,建立了冻土路基变形场及应力场的二维数值计算模型,并应用有限元法求解路基土体冻结时变形场和应力场的分布规律.分析了土基范围内冻胀带对路基应力场和变形场的作用,并计算了不同冻胀带范围对路基顶面变形场和应力场的影响.结果表明:冻胀带的存在是引起路基病害的直接原因,不同冻胀带范围将引起路基产生不同类型及不同规模的破坏,位于路面以下的冻胀带属于敏感冻胀带范围.     

多年冻土区天然气水合物研究综述

由于多年冻土区天然气水合物的潜在资源价值和对气候、环境的影响,各国纷纷开展了大量的研究,取得了很好的研究进展。本文主要分析了天然气水合物与多年冻土间的关系、多年冻土区天然气水合物的蕴藏情况以及典型多年冻土区天然气水合物研究现状。其结果表明多年冻土控制了天然气水合物形成的温压条件,且在多年冻土层间发现具自保护效应的天然气水合物。同时多年冻土可影响分散性土体中游离气体的聚集和迁移,多年冻土融化可提高孔隙水压力。目前多年冻土区天然气水合物的蕴藏情况的估算并不完整,各国仅对典型多年冻土区天然气水合物储量进行了初步的估算。天然气水合物储量估算结果表明,在美国阿拉斯加地区大约为1.0~1.2×1012 m3,加拿大马更些三角洲Beaufort海地区大约为1.6×1013 m3,俄罗斯西西伯利亚盆地250 m深度范围内可达1.7×1013 m3。我国青藏高原多年冻土区亟待搞清天然气水合物存在与否的直接证据和储量估算等关键问题。     

Permafrost and Gas Hydrates on the East Siberian Arctic Shelf

Doklady Earth Sciences - In the north of the shallow East Siberian Arctic Shelf (the Laptev and East Siberian seas), based on CDP (common depth point) seismic data for 71 lines with total length of...     

青藏高原多年冻土区通信直埋光缆线路工程的施工初探

从施工组织、径路选择、敷设、防护等几方面, 对高原多年冻土区通信直埋光缆线路工程的施工方法、施工注意事项、施工要求做了简明扼要介绍, 对青藏铁路通信光缆线路工程的施工具有指导意义, 对保证通信工程的质量、保证行车安全具有重要意义.