矿井通风对多年冻土井筒围岩热影响的数值分析 (Ⅱ): 多年冻土井筒围岩温度的变化规律

在多年冻土区进行煤矿地下开采, 通风作用改变了井筒围岩的热平衡条件, 从而引起了多年冻土上限及其井筒周围冻土季节融化层的变化, 有可能影响到井筒支护结构的稳定性. 因此, 研究在矿井通风作用下, 多年冻土温度场分布及随季节的变化趋势是有意义的. 基于ANSYS有限元分析软件, 针对多年冻土区某煤矿的赋存条件、 试验采场位置以及通风作用对冻土的影响范围, 建立了二维数值计算模型, 利用焓式有限元方法对多年冻土井筒围岩的温度特性进行了数值模拟, 分析了矿井通风对多年冻土井筒围岩的热影响程度, 其计算方法和结果为下一步多年冻土煤矿地下开采井筒支护设计提供参考依据.     

多年冻土区矿山开采研究现状及展望

多年冻土区蕴藏着丰富的矿产资源,矿业开发已成为多年冻土区经济发展的主要产业之一.但是,在其开采过程将不可避免地受到冻土的影响,也造成多年冻土区生态环境恶化的影响.在西部大开发的进程中,能源需求量逐渐增加,而多年冻土区矿山露天开采量逐渐减少,开展多年冻土区矿山地下开采相关的研究工作显得尤为迫切.在分析和总结前人研究成果的...     

北极多年冻土区埋地输气管道周边温度场数值分析

以北极规划输气管道工程为依托,建立埋地管道与冻土热交换相互作用数值计算模型,探究了埋地管道在连续多年冻土区、非连续多年冻土区和季节冻土区内,按照不同操作温度(5、-1和-5℃)运行情况下管道周围冻土温度演化过程.计算结果表明:同一区域不同管温对冻土上限值影响差异较大,尤其是在非连续多年冻土区,无论管道是正温输送还是负温输送,由于管道的运营,极大地影响了冻土上限值.5℃正温管道将导致冻土上限下降1～3倍管径;-1℃和-5℃负温管道将有助于提高冻土人为上限.建议在连续多年冻土区管道采用-1℃输送温度;在非连续多年冻土区冬季采用-1℃输送温度,夏季可以是正温,接近环境大气温度,但全年输气平均温度要小于0℃;在季节冻土区,若按照负温输送,反而容易引起管基土冻胀,建议输气温度不作特别控制,与温带地区管道类似,正温输送.希望能够为北极多年冻土区天然气管道建设提供新的思路.     

中俄原油管道沿线多年冻土环境及管道施工技术探讨

选取中俄原油管道沿线位于多年冻土区的漠河-乌尔其段为研究区域, 分析了管道工程对多年冻土环境的影响以及冻土退化所带来的一系列生态环境问题, 并研究了冻土环境变化对管道工程的影响. 针对冻土区管道工程施工的相关问题, 提出了不同施工迹地的施工方式及相对应的冻土环境保护措施: 施工作业带的清理;取弃土的处理;施工便道、伴行道的修建及不同地段施工便道与伴行路路基最小高度的确定;施工营地、料场的设计及布设;管沟开挖时基坑暴露时间的计算, 多年冻土区管道工程的施工等.中俄输油管道是我国首条通过多年冻土区的大口径原油管道, 研究结果可为中俄输油管道及今后寒区工程建设过程中的环境保护提供科学依据.     

煤矿开采过程中的冻土环境问题与对策

冻土区矿产资源的开发,对多年冻土的影响速度快、范围广、最直接,是其他人为活动无法比拟的.特别是煤矿开采,它对多年冻土影响剧烈,使得煤矿区冻土环境更加脆弱.青海木里煤田矿区处于青藏高原阿尔金山—祁连山高寒带山地多年冻土区,是大通河上游水源涵养生态功能区,冻土生态环境较为敏感.在分析青海木里煤田矿区多年冻土分布状况与特征的基础上,从多年冻土变化和多年冻土区自然环境变化两个方面,探讨了煤矿开采过程中的冻土环境问题,并提出避免和减缓煤矿开采对冻土环境造成影响的建议与对策,以期为寒区资源合理开发利用保护提供科学依据.     

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。     

多年冻土地下水及其变化研究进展

冻土的低渗透性改变了地表水下渗,导致寒区流域产汇流过程发生改变;其季节冻融及引起的活动层深度变化,改变了土壤含水量从而调蓄流域储水量。过去数十年,气候变暖引起冻土退化重塑了寒区水文地质环境、改变了地下水热状况;而多年冻土退化的后果是其所含有的固态冰向液态地下水转化,进而改变多年冻土地下水的时空模态、生态环境和工程设施基础,影响多年冻土的碳汇功能,以及释放封存于其内的温室气体并进一步加速气候变化。尽管水化学和数值模拟技术的发展提升了人们对于冻土地下水补径排和循环机理的理解,但冻土区恶劣的环境和直接监测地下水的困难,仍然使冻土地下水研究存在巨大挑战。本文通过梳理多年冻土地下水相关文献,刻画了多年冻土地下水的时空模态,探讨了冻土与地下水的相互作用,认为在未来的研究中,水化学方法应更加侧重于冻土地下水动态,数值模拟应更加侧重于地下水热过程。另外,还整合了气候变化背景下多年冻土地下水变化的相关研究成果,描述了从补给区-排泄区、冻土融化起始-长期退化至消失过程中地下水的赋存、补径排变化以及这些变化所带来的影响。最后,尝试性探讨了冻土地下水研究未来可能的发展,以期为多年冻土地下水水文、水资源和生态环...     

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。     

青藏铁路多年冻土工程地质综合分类探讨

根据影响青藏高原多年冻土工程特性的地温分区和冻土类型, 提出了冻土工程地质综合分类方法. 结合青藏铁路多年冻土区工程设计和施工情况的实践, 对铁路建设中如何应对全球气温变暖下冻土区工程安全提出了工程措施.     

矿井井筒围岩流变对井筒稳定性的影响

根据流变力学的基本理论，分析了矿井井筒围岩的流变引起支护衬砌中应力和位移随时间的变化规律，建立了与时间有关的支护衬砌破坏准则，对矿井井筒的支护设计和预计衬砌不同时期的受力和稳定性有一定的参考意义。     

风沙堆积对多年冻土温度影响的室内试验研究

随着我国高寒区沙漠化问题的日益严重, 由此产生的地表风沙堆积对多年冻土影响的范围和强度越来越大, 但目前风沙堆积对多年冻土温度的影响过程及机理仍不明确, 特别是缺少室内模型试验方面的研究. 通过室内试验模拟了不同厚度的积沙对多年冻土温度的影响. 结果表明:除试验箱气温为正负温过渡阶段外, 当试验箱气温为负温时期, 积沙冻土的中上层温度比无积沙冻土高, 且沙层越厚温度越高, 但均为负温, 整个土层仍对应冻结状态; 当试验箱气温为正温时期, 积沙冻土的中上层温度比无积沙冻土低, 且沙层越厚温度越低, 而正温阶段对应冻土融化时期, 积沙的降温作用可延缓冻土的融化. 在3个冻融循环周期内, 积沙冻土的底面平均温度均比无积沙冻土低, 且沙层越厚, 冻土底面温度波幅越小.     

冻土导热系数研究现状及进展

冻土导热系数是影响冻土温度及热通量变化的一个重要参数,也是研究陆地表层水热盐耦合运移的基本物理参数。根据国内外研究现状,列举了导热系数的测试方法（稳态法和瞬态法）,总结并讨论了冻土导热系数的影响因素及其变化规律,并对目前已有的导热系数计算模型进行了比较分析。现有研究认为：土壤质地、温度和含水（冰）量、孔隙度、土壤有机质等是影响冻土导热系数的主要因素,因此,冻土土导热系数随这些影响因素的变化规律方面的研究工作非常多;而关于未冻水含量、土骨架组成及冻土结构等对冻土导热系数影响的相关研究较为缺乏。通过比较分析国内外土壤热导率计算的相关模型,认为适用于常温下导热系数的模型发展趋于成熟;而现存的适用于冻土区的导热系数计算模型多以一种或几种土壤条件为前提,或者多考虑局地因素影响,模型的适用性具有局限性。考虑到多年冻土区土壤受冻融循环影响较大,以及多年冻土内部水热传输过程的复杂性,多年冻土区导热系数的计算模型仍需进一步深入研究。     

青藏铁路普通路基下部冻土变化分析

高温高含冰量冻土地区,青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的工程措施.然而青藏铁路仍有大量路段未采用任何工程措施,因此修筑普通路基后冻土变化也是普遍关心的问题.根据青藏铁路普通路基下部土体温度监测的近期结果,分析了季节冻土区、已退化多年冻土区和多年冻土区路基下部冻土变化特征.结果表明,不同区域修筑普通路基,其下部土体温度、最大季节冻结深度、多年冻土上限等存在较大的差异.在季节冻土和已退化多年冻土区,右路肩下部(阴坡)已形成冻土隔年层;在多年冻土强烈退化区,其路基下部形成融化夹层;在高温多年冻土区,其路基下部上限存在抬升和下降,上限附近土体温度有升高的趋势.在低温多年冻土区,其路基下部上限全部抬升,上限附近土体存在"冷量"积累,有利于路基下部多年冻土热稳定性.因此,低温多年冻土区修筑普通路基后,冻土变化基本是向着有利于路基稳定性的方向发展,在其它地段修筑普通路基,冻土变化是向着不利于路基稳定性的方向发展的.特别是阴阳坡太阳辐射差异,导致了土体热状态和多年冻土上限形态产生较大的差异,这种差异将会对路基稳定性产生一定的影响.     

土壤热导率的研究现状及其进展

土壤热导率是重要的土壤热参数之一, 在下垫面土壤热量的传输中起到重要作用; 同时也是区域气候模式、 陆面过程模式中重要的输入参数, 在预估未来气候变化等方面也具有重要作用. 根据国内外的研究现状, 评述了土壤热导率的影响因素和模拟方案. 其中, 土壤质地、 温度、 含水(冰)量和孔隙度等是影响土壤热导率的主要因素, 特别在研究冻土时需重点分析含冰量的变化. 结合影响因素, 比较分析了典型的国内外计算土壤热导率的模型, 得出这些模型多适用于模拟常温下的热导率, 低温条件如青藏高原冻土区模拟结果并不理想. 因此, 多年冻土区土壤热导率的研究多基于观测资料计算或使用陆面模式中的参数化方案估算, 但因多年冻土内部水热传输过程的复杂性, 青藏高原多年冻土区热导率的模型模拟仍需进一步研究.     

祁连山大通河源区冻土特征及变化趋势

大通河源区位于祁连山中东部, 属高山多年冻土区, 利用源区内冻土钻探及监测资料对源区冻土发育的基本特征及变化趋势进行了分析和探讨. 冻土地温分析表明, 源区冻土年平均地温随海拔的变化梯度约为3.82 ℃·km^-1, 且冻土地温与表层覆被条件关系密切. 盆地平原地带多年冻土厚度约为17~86 m, 且以海拔每上升100 m冻土厚度增加约10 m的梯度增加. 多年冻土活动层厚度受海拔地带性作用不显著, 更多地受局地因素的控制, 地表覆被条件成为其主要影响因素. 在气温升高以及人类活动日益增多的影响下, 源区冻土整体处于退化状态, 多年冻土年平均地温以0.0075 ℃·a^-1的速率上升.     

祁连山中东部的冻土特征(Ⅰ):多年冻土分布

祁连山地区地势高耸,气候严寒,冰缘现象广布,各类冰缘现象受地形与水分条件的控制,分布具有明显的规律性.祁连山多年冻土属青藏冻土区,阿尔金山-祁连山亚区,分布在海拔3400 m以上的高山、谷地、盆地中.多年冻土分布具有明显的高度地带性,随高度增加,冻土分布呈现出季节冻土-岛状冻土-连续冻土更替,同时,多年冻土下界高程与经度明显相关,自西向东表现出下降趋势,下降率约为每经度150 m,这一变化与降水在东西方向的变化有关.山区微气候因素复杂多变,也造成了冻土分布的复杂性,局地因素对冻土分布影响显著,对比分析了坡向,植被与水分、岩性,季节性积雪等诸因素对多年冻土分布的影响.     

青藏铁路块石气冷结构路堤下冻土温度场变化分析

基于青藏铁路沿线多年冻土区温度监测断面,选取了不同冻土分区中的8个块石路堤结构(块石路基、块石护坡、块石路基加块石护坡)断面,对其下温度场的变化分析研究.结果表明:经过2~3个冻融循环后,块石结构路堤下冻土上限已抬升了1.4~5.3 m,说明块石路堤结构已起到了积极调节下伏冻土温度的作用.结果也显示,在上限抬升的同时,其下部的冻土地温也在升高,但是这种过程已逐渐被块石路堤结构的降温所抑制,而这种抑制程度受控于不同的冻土区域.在不同的冻土分区中,无论是何种形式的块石路堤结构,其降温趋势是不同的.Ⅳ和Ⅲ冻土区块石路堤基底的负温积累比较明显,而I和Ⅱ区的较弱.     

高原冻土隧道支护技术及工艺试验研究

昆仑山隧道是青藏铁路550 km连续多年冻土区最长的高原冻土隧道。在高寒缺氧、低气压地区修建铁路隧道所遇到的是全新的技术难题。室内和现场试验及施工结果表明：在多年冻土隧道施工中采用湿喷混凝土支护,使混凝土与冻土围岩黏结牢固,并能保证支护混凝土的质量,证明湿喷混凝土支护在高原多年冻土区隧道施工中是可行的。     

青藏公路下伏多年冻土的融化分析

基于青藏公路沿线高温冻土区和低温冻土区2组地温观测孔5 a的地温观测资料, 研究了路基下伏多年冻土的融化状态, 定量分析了进入路基下多年冻土内的热状况. 结果表明: 路基近地表地温明显高于对应天然地表下的地温, 路基近地表经历的融化期长于对应天然地表, 高温冻土区路基内已形成贯穿融化夹层;进入高温冻土区路基下伏多年冻土内的热收支处于持续不断的吸热状态, 进入低温多年冻土区的热收支也呈现出吸热明显大于放热的周期性变化;高温冻土区接近0℃的地温及其持续不断的热积累是引起下伏多年冻土不断融化的主要原因. 低温冻土区进入多年冻土的热积累暂时以增高地温耗热为主, 随着地温的增高, 低温冻土区也可能发生强烈的冻土融化.     

青藏铁路路基下融化夹层特征及其对路基沉降变形的影响

基于青藏铁路多年冻土区路基地温与变形现场监测资料, 研究了青藏铁路路基下融化夹层特征及其对路基沉降变形的影响. 结果表明:在已有监测场地中, 青藏铁路沿线天然场地融化夹层发育较少, 而路基下融化夹层发育较多. 低温冻土区路基下融化夹层能够逐渐完全回冻使其消失, 高温冻土区大部分路基下融化夹层有进一步发展的趋势. 当融化夹层下部为高含冰量冻土时, 融化夹层与路基沉降变形关系密切, 路基易产生较大的沉降变形; 当融化夹层下部为低含冰量冻土时, 路基沉降变形较小.