高海拔冻土地区公路路基风流场特征研究

风流场对于局地条件下地-气能量交换过程与强度影响显著,同时也是多年冻土区对流调控类冷却路基的关键环境边界。结合现场监测与数值模拟,对高海拔冻土路基周边风流场进行特征区划研究并考察路基高度的影响。结果表明：坡前扰动区为低风速区,3 m路基高度条件下迎风坡坡脚0.5~2.0 m高度范围内风速约为环境风速的30%。路基上部为高风速区,迎风坡路肩风速明显大于环境、路面中部及背风坡风速。背风坡坡后扰动区为低风速区,靠近坡脚区域受气流辐散效应作用形成涡旋区,整体风速仅为环境风速的30%。涡旋区水平范围随路基高度增加呈线性增加,3 m路基高度条件下涡旋区水平范围约为12 m。分离式路基即两幅路基并行条件下,受前幅路基影响后幅路基坡前风速下降明显,以两幅路基坡前风速差值不超过环境风速的10%（0.35 m·s^-1）为标准,3 m路基高度条件下两幅路基最小间距为60 m。因此,在路基工程的修建过程中为减少路基间的遮挡所造成的两幅路基间的对流换热强度差异,分离式对流换热类冷却路基的现场修建间距应不低于60 m。     

青藏铁路透壁通风管通风路基模型试验及初始温度场特征

通风路基作为一种积极主动保护冻土路基的冷却调控技术能有效的抬升多年冻土上限, 保护冻土路基的稳定性. 目前实体试验工程通风路基一般采用路基内预埋实体混凝土管或PVC管, 管壁不能透风, 管壁与土体间主要通过热传导进行换热. 一种管壁开孔、可以透风的新型通风管--"透壁通风管"既能以管内空气间的对流带走管内热量; 因其管壁透风, 低温的冷空气可以透过管壁的大孔眼穿透到通风管周围的介质中, 直接与其进行热交换, 从而改善传统通风管换热模式. 为探索透壁通风管在青藏铁路路基中的实际温控效果而进行了青藏铁路透壁通风管路基现场试验, 试验路基短期监测资料的分析结果显示, 透壁通风管对青藏铁路路基具有良好的冷却能力, 可在一定程度上抬升冻土上限; 透壁通风管路基经填土级配优化重组后更能充分发挥其路基冷却效果     

青藏高原公路路基周边风场特征风洞实验研究

路基高度是影响冻土路基工程热力稳定性的一个重要指标。同时,不同高度的路基对其周边风场的扰动也将不同,进而影响到局地的地-气能量交换过程。为揭示不同高度路基对其周边风场特征的影响规律及程度,基于风洞实验,研究了3种环境风速条件下青藏高原典型高度公路路基周边风场分布特征,并进行了量化分区。结果表明：路基坡前为流场减速区,不同高度情况下路基坡前减速区水平范围差异显著。10 m·s^-1环境风速条件下,3、4和5 m高路基坡前减速区水平范围约为1.8、2.2和2.5倍路基高度（H）。在路基坡前减速区0.3~1.1 m高度范围内,随环境风速增加,同一水平高度流场在靠近路基过程中风速的变化率呈下降趋势。路基上部为流场加速区,路肩处风速增长幅度与路基高度呈正相关。路基坡后为低速回流区,路基高度越大,低速回流区水平范围越大,10 m·s^-1环境风速条件下,3、4和5 m高度路基坡后低速回流区水平范围分别约为2.0H、3.0H和4.1H。低速回流区后,流场逐渐恢复到初始运动状态,其消散恢复区水平范围与环境风速密切相关,但与路基高度关系不显著,10 m·s^-1环境风速条件下,3、4和5 m高度路基坡后消散恢复区水平范围均约为9.8H。通过考虑路基高度对其周边风场分布的影响,可为块石、通风管、热管等冻土路基结构的设计和布局优化提供参考。     

多年冻土区管道通风路基温度边界条件及温度场实测研究

管道通风路基在多年冻土地区是一种良好的主动保护冻土工程措施,但在应用数值方法研究其长期效果中,对边界条件的选取存在着困难,已有的计算结果也缺乏实体工程的验证.基于青藏铁路北麓河实体试验工程,对通风管中气温以及管壁温度进行了分析和拟合.结果表明:通风管中气温年平均值普遍高于环境气温,平均高出1.6~1.8℃,但在正温期管中气温与环境气温的最高值相差不大(<1℃),而负温期相差较大(达到2℃);路基阳坡面下0.5 m深度地温高于阴坡面3.5~5.5℃.普通路基填筑后在抬升多年上限的同时,也升高了上限附近的地温,且地温场在整个范围内表现出横向上显著的不对称性.通风路基可以对下伏多年冻土起到良好的主动保护作用,表现为冻土上限的抬升和地温的降低.但通风管埋设位置较高的情况下,路基地温场横向不对称范围涉及到原地面以下.降低通风管的埋设高度的情况下,边坡面换热导致的温度横向不对称范围被限制在通风管以上的土体中,而下部土体温度场横向不对称性将得到极大改善.     

多年冻区管道通风路基温度边界条件及温度场实测研究

管道通风路基在多年冻土地区是一种良好的主动保护冻土工程措施, 但在应用数值方法研究其长期效果中, 对边界条件的选取存在着困难, 已有的计算结果也缺乏实体工程的验证. 基于青藏铁路北麓河实体试验工程, 对通风管中气温以及管壁温度进行了分析和拟合. 结果表明: 通风管中气温年平均值普遍高于环境气温, 平均高出1.6～1.8 ℃, 但在正温期管中气温与环境气温的最高值相差不大（＜1 ℃）, 而负温期相差较大（达到2 ℃）; 路基阳坡面下0.5 m深度地温高于阴坡面3.5～5.5 ℃. 普通路基填筑后在抬升多年上限的同时, 也升高了上限附近的地温, 且地温场在整个范围内表现出横向上显著的不对称性. 通风路基可以对下伏多年冻土起到良好的主动保护作用, 表现为冻土上限的抬升和地温的降低. 但通风管埋设位置较高的情况下, 路基地温场横向不对称范围涉及到原地面以下. 降低通风管的埋设高度的情况下, 边坡面换热导致的温度横向不对称范围被限制在通风管以上的土体中, 而下部土体温度场横向不对称性将得到极大改善.     

路基坡脚积水对多年冻土路基稳定性的影响研究进展

多年冻土路基的稳定性很大程度上取决于其下伏多年冻土层的热稳定性. 当融雪、降雨或人为等外界因素形成的路基坡脚积水持续一段时间后,这些积水可能通过入渗对流换热、热边界侵蚀、补给冻胀水分等方式加剧或诱发多年冻土路基热稳定性的下降和丧失. 通过回顾国内外相关文献,从影响多年冻土路基稳定性的因素、积水对路基活动层冻融过程中水分迁移的影响、热融湖塘类积水对冻土路基的热影响、降雨和融雪积水入渗对冻土路基的热影响等方面,归纳总结了坡脚积水对多年冻土路基影响方面的研究进展;在此基础上,提出了对此问题进一步深入的研究展望和探讨.     

风沙环境下沙漠路基风蚀破坏数值模拟研究

基于Fluent气固两相流,运用 湍流模型,对风沙环境下沙漠路基的风蚀破坏规律进行数值模拟研究。分析路基不同横断面下风沙流扰动、增速、减速、恢复的过程,以及路基障碍物的存在对风沙流扰动后造成的风速减弱区和恢复区,总结路基坡面特征点的风速变化规律,与现场实测结果作比较,二者具有很好的一致性。研究结果表明,不同路基横断面下风速减弱区和恢复区的分布对路基高度变化敏感,受边坡坡率的影响较小,不同路基高度、不同边坡坡率下路基沿程风速变化明显不同。边坡坡率一定,随路基高度的增加,路基周围流场扰动被增强,迎风坡坡顶风速增大显著,背风坡坡底风速下降愈明显;路基高度一定时,边坡坡率越小,路基沿程风速变化越平缓。当边坡坡率为1:3时,路基模型高度由1m增加到3 m时,迎风坡坡顶风速增加12%,背风坡坡底风速降低约80%。建议为避免沙漠路基的风蚀破坏,路基高度不宜太大,边坡坡率较小为宜。     

透壁式通风管-块石复合气冷路基室内模型试验研究

为了研究透壁式通风管-块石复合气冷路基的降温效果,针对年均气温约-3.5℃,平均风速2.5 m·s^-1,主导风向为西北方向的高原环境条件开展室内模型试验,分析了单一块石气冷路基和透壁式通风管-块石复合气冷路基的孔隙空气对流速度、特征点地温变化过程以及模型整体温度场变化过程.结果表明：在透壁式通风管的疏导作用下,透壁式通风管与块石层的复合结构能够起到强化路基体对流的效果,复合路基块石孔隙中的空气流速比单一块石路基提高约20%,由此导致复合路基模型底部的降温幅度是单一块石路基模型的2.2倍.模型整体温度场表明,复合路基能够起到储存冷量、降低下伏多年冻土地温的作用.     

"冷却路基"方法在青藏铁路上的应用

青藏铁路穿越550 km多年冻土,其中约一半为高温多年冻土,其年平均地温为0~-1℃.青藏铁路是百年大计,必须考虑未来50~100 a的气候变化.在全球变暖的背景下,青藏铁路高温冻土段的建设必须改变单纯依靠热阻(增加路堤高度、采用保温材料等)的消极“保”温方法,而改用“冷却路基”的积极“降”温措施.青藏铁路的建设采用了一整套“冷却路基”的方法:通过遮阳板调控辐射;通过通风管、热管和气冷路堤调控对流;通过“热半导体”材料调控传导;通过这些调控方式的组合,加强冷却效果.这些方法均可有效地降低路基下多年冻土的地温,保证青藏铁路路基的稳定.     

冻土通风路基温度场的三维非线性分析

应用有限元方法,对一通风路基的温度特性进行了三维数值分析.该路基在离天然地面1m铺有管径为0.4m的通风管,通风管之间的距离为2m,所在地区年平均气温为-3.5℃,年温较差24℃.数值分析表明,通风路基能使其下面的融化盘减小,最大融化深度减小,0℃等温上移.该现象说明通风路基有对冻土制冷的作用,能达到降低冻土路基温度,保证冻土路基稳定的目的.     

多年冻土区高等级公路特殊路基长期降温效果研究

气候变暖背景下,块石路基及通风管-封闭块石基底复合路基成为多年冻土区高等级公路冷却路基的主要结构形式. 为探明不同直径块石层的渗流特征和规律,开展了立方排列球体室内风洞试验,一方面获得了渗透率和惯性阻力系数及其与球体直径间的统计关系;另一方面得到了球体层内部压力梯度与渗流速度呈二次非线性关系. 基于该试验得到的参数和关系,采用多孔介质中流固耦合传热模型,通过有限体积法模拟了柴木铁路块石路基的降温效果,并利用实测数据验证了模型及参数的可靠性. 在此基础之上,以青藏高等级公路特殊路基为原型,使用该传热模型开展了封闭块石基底路基和通风管-块石复合路基长期冷却降温效果的数值模拟研究. 结果表明：封闭块石基底路基和通风管-封闭块石复合路基在研究期内均有降温效果,可以提高路基下人为上限,而块石夹层路基在一定时期内可以提高冻土上限,但下部土体温度升高,长期降温效果较差.     

青藏铁路抛石护坡路基强迫对流特性数值分析

基于多孔介质中流体热对流的连续性方程、非达西流动量方程和能量方程,对强通风条件下青藏铁路典型抛石护坡路基内温度场和流速场的分布形态进行数值研究。研究结果表明,抛石护坡路基对多年冻土保护作用显著,抛石护坡路基的存在使夏季多年冻土上限明显提高,冬季抛石护坡路基下部土体回冻速度较天然地表下部土体更快,由于降温作用主要集中在护坡附近有限范围之内,对路基中部的降温作用相对较弱。整体而言,抛石护坡对冻土路基本体的保护作用有限,从长期降温效果来看,由于全球气候变暖的影响,强通风条件下抛石护坡路基中线以下土体的内部可能产生“似眼球状”融化夹层,不利于路基的稳定。迎风抛石护坡层中空气运动方向大致为沿护坡斜向上,背风抛石护坡层中空气运动方向以从下到上运动为主,抛石层内空气的运动形式为“绕流”,抛石层表面空气速度最大,内部较小,空气速度分布区间为1.24×10-3～12.8 m/s,数值结果与现场试验测得的风速区间基本一致。     

青藏铁路冻土路基沉降变形现场试验研究

Based on the field data of ground temperature and roadway settlement observed during the construction of the experimental embankments over permafrost along the Qinghai-Tibetan Railway, this paper discusses the differences of frost process on the roadway surface from that on the natural ground surface, the changes of permafrost table under the roadway embankment, and the peculiarities of roadway settlement. Analyses of the test results show : 1) The differences of the freezing indexes between the roadway surfaces and the natural ground surfaces are less than those of the thawing indexes for all the test sections; 2) Since the measures of permafrost protection were taken, the permafrost tables under the embankments have raised after the roadway was constructed. The minimum is about 0.4 m and the maximum is 1.2 m; 3) the settlements of the roadway are mainly from the compression and creep of the icerich frozen soils under the original permafrost tables and the maximum has reached 6 ～ 8 cm during the first year after the embankments were constructed. Moreover, concerning the processes of roadway settlement, the deformation of the embankments has no obvious trend of attenuation at present. Especially,for the roadway with high embankments, the settlement may reach a remarkable value and much consideration must be given for this problem.     

青藏高原冻土区路面类型对路基温度场影响的非线性分析

采用焓模型, 建立含相变的冻土路基温度场, 综合考虑气温、太阳辐射、风速风向、坡面蒸发等气象因素, 将诸多气象因素归结为第二、三类边界条件的叠加组合, 对不同气温地区的沥青路面及水泥路面路基温度场进行了有限元计算. 结果表明: 路面类型对冻土路基温度场有着重要影响, 水泥路面的采用可有效地降低路面温度, 延缓冻土上限下降速率, 从而可以有效保护基底多年冻土; 从对基底冻土上限影响的角度来看, 路面类型、外部气温与路基高度三者间存在一定的动态等效关系.     

青藏铁路可调式通风管路基的数值仿真分析

Finite Element Method has been used to operate the numerical analysis and comparison between the traditional ventilated embankment and the adjustable ventilated embankment adopted in Qinghai-Tibet Railway construction. The numerical results show that: 1) The adjustable ventilated embankments can prevent the thermal entry from air into ducts during summer from thawing the permafrost beneath the embankments; 2) The cooling effects of the adjustable ventilated embankments on permafrost is much better than the traditional ventilated embankments although two kinds of embankments can generate the thawing bulbs at the beginning of finishing construction; 3) The drop of the mean temperature of permafrost under the adjustable ventilated embankments keeps faster than that of the mean temperature of permafrost under the traditional ventilated embankments. It is clear that the adjustable ventilated embankments can keep the embankment more stable than the traditional ventilated embankments.     

青藏铁路多年冻土区普通路基热状况监测分析

基于现场地温监测数据,选取年平均地温不同的监测断面对青藏铁路普通路基的热状况进行分析,包括多年冻土上限变化及其地温变化、下伏多年冻土温度变化、原天然地表附近热收支等方面. 结果表明：在低温多年冻土区,路基下部多年冻土上限均有所提升,且新近形成的人为上限较为稳定,冷季时负温积累显著;路基下伏多年冻土总体热稳定性较好. 而在高温多年冻土区,左（阳坡）路肩下部多年冻土上限多表现为下降,右（阴坡）路肩下部多年冻土上限有升有降,但是新近形成的上限均温度较高且有进一步升温的趋势;与天然场地地温相比,路基下部多年冻土均出现一定的升温. 尤其在高温极不稳定多年冻土区,天然场地多年冻土自身处于吸热升温状态;路基修筑后,下部多年冻土已经出现了融化夹层及双向退化的情况,路基热稳定性较差. 对于普通路基来说,由于青藏高原强烈的太阳辐射及青藏铁路总体走向原因,普通阴阳坡效应显著,左、右路肩下部多年冻土热稳定性差异较大.     

透壁通风管路堤的对流换热和蒸发散热

针对透壁通风管路堤中透壁通风管管壁与空气之间的对流换热和土体水分通过管壁小孔的蒸发散热机制,分析了开孔率、风速及含水率等因素对透壁通风管管壁对流换热和水分蒸发散热的影响,并具体给出了管壁对流换热系数和蒸发散热系数的计算公式。冬季路堤由于冻土层未冻水含量较小而使管壁小孔的水分蒸发散热较弱,路堤总的降温效果主要由管壁对流换热效应控制,而暖季通风管内空气与管壁的对流换热效应可使路堤土体增温,同时,由于通风管周围融土的未冻水含量较大,而使得通过管壁小孔的水分蒸发散热较强,可部分或全部抵消对流换热引起的增温效应,而有利于路堤的稳定。