基于能量平衡的多年冻土区公路设计理论研究

青藏公路长期研究表明,青藏高原多年冻土公路工程空间效应敏感,主要表现为公路空间效应直接改变下伏冻土地基的天然能量平衡状态,继而引发一系列工程病害. 针对这一工程问题,提出多年冻土地区公路能量平衡设计理论,研究公路工程建设引发的多年冻土地基能量变化状态,平衡自然环境变化和工程建设等导致的外界“有害”能量导入与工程处置措施对冻土地基中“有害”能量导出之间相互关系,从空间和时间两个维度分析多年冻土地区公路工程的能量平衡过程. 据此,作为多年冻土公路工程的设计依据,将为青藏高原高速公路的科学设计提供理论支持.     

基于生态需水的石羊河北部平原生态保障技术研究

针对石羊河流域日益严峻的生态环境问题,选择干旱区生态需水计算为切入点,以变异理论为基础,利用Mann-Kendall非参数检验的方法确定石羊河北部平原区地下水位恢复的目标年,用生态功能区划方法划分生态功能区,利用达西定律、阿维里扬诺夫公式计算了地下水恢复及生态目标条件下的生态需水量,并提出了相应的生态保障措施. 结果表明：石羊河北部平原区划分为5个生态功能亚区及16个三级区,地下水位恢复的目标年份为1977年,地下水恢复到1977年的生态需水量为 55.95×10⁸~74.10×10⁸ m³,2015年和2020年生态目标条件下的生态需水分别为1.66×10⁸ m³和1.80×10⁸ m³. 考虑到地下水恢复的缓慢性和现实性,建议优先考虑设定目标条件下的植被正常生长生态需水,其次通过继续压缩人均耕地面积和灌溉定额的方式保证地下水恢复.     

多年冻土区路基尺度效应对路面结构力学响应的影响

为了研究不同尺度路基融沉作用对路面结构层力学响应的影响,建立了基于热力耦合理论的有限元模型,系统研究不同路基尺度工况下,融沉作用对不同厚度路面、不同材料基层的力学分布规律影响. 结果表明：相同的融沉条件下,整体式路基较分离式及二级路基,变形分别增大45%、64%,应力增大17.5%、21.7%. 高速公路面层由于路基较宽,地基融沉更容易向上传递,进而导致面层底部应力增大,最终造成面层的破坏. 因此,路面设计过程中保证一定的面层厚度,并采用柔性基层减小模量,可有效以降低层底应力水平,并防止基层裂缝向上反射.     

高压条件下土的冻融试验装置研制及应用

深部土体冻融后的物理力学性质对深部人工冻结工程意义重大. 针对该问题, 在以往土的冻融试验装置的基础上, 设计出适用于高压条件下土的室内冻融试验装置, 并给出了高压条件下土的冻融试验方法. 基于该装置, 对有压条件下兰州黄土在不同冷端温度下的单向冻结特征进行了试验研究. 结果表明: 无压单向冻结过程中土的变形以冻胀为主, 而高压情况下则主要表现为压缩变形. 在有压单向冻结过程中, 试样内部仍然存在着明显的水分重分布过程. 试验分析表明, 该试验装置能够为高压条件下土的冻结特征及冻融作用后土的物理力学性质研究提供技术支持.     

青藏公路工程活动对沿线植被覆盖的影响

利用2000-2012年的MODIS 增强植被指数（Enhanced Vegetation Index,EVI）数据,结合研究区3个气象台站长期的气象数据,分析了青藏公路沿线植被变化总体趋势,以及不同整修措施对周边植被覆盖带来的不同影响.通过实地考察,选取了16个受工程活动影响的典型路边样方,3个铁路边样方和8个远离公路铁路的自然样方,对比路边和自然样方,分析植被的自我恢复能力以及4个主要影响因子.结果表明：青藏公路沿线植被覆盖变化是在整个气候变化的背景下,叠加了工程活动的影响.植被的恢复能力与其所在路段的地形、植被覆盖度、气候条件、以及工程活动的强度均有关系,抑制植被生长的因素越多,植被恢复越慢.     

基于气候干燥度的青藏高原多年冻土区分类新方案

采取综合分析与主导因素相结合的原则, 阐明了青藏高原各大地貌单元的大气环流及自然景观特征, 描述了高原多年冻土形成和分布格局. 基于综合地域分异规律, 以年降水量和干燥度(蒸发/降水)作为主要指标, 并参考年平均气温、气温年较差及年平均空气湿度等, 结合地形因素将高原多年冻土划分为: 湿润型、亚湿润型、半干旱型、干旱型和极干旱型五种类型, 并对各类多年冻土的代表性地区的冻土特征分别进行论述. 该分类方法适合于小比例尺的冻土测绘和制图.     

甘肃省春季降水的空间异常分布及年代际变化

利用甘肃省80个气象站建站至2012年3-5月的降水量资料, 分析了甘肃省春季降水的基本气候特征; 通过EOF、REOF、小波分析等方法, 对甘肃春季降水的时空特性进行了研究, 用Mann-Kendall检验法检验了甘肃春季降水序列是否存在突变现象. 结果表明, 甘肃春季降水空间分布极不均匀, 其空间分布特征是东南部为多雨区、西北部为少雨区. 甘肃春季降水在第一空间尺度上为全区一致, 在第二空间尺度上可分为2个自然气候区, 在第三空间尺度上可分为7个自然气候区. 从年代际变化来看, 1960年代是近50 a来降水最多的10 a, 1990年代是降水最少的10 a; 甘肃春季降水的年际变率十分显著, 降水最多的年份是最少年份的近5倍. 1961-2012年间甘肃春季降水发生了明显的突变, 1982年出现了一次增多趋势的突变, 1992年出现了一次减少趋势的突变. 5 a的短周期和18～19 a的长周期是其主要周期. 甘肃春季降水偏少(多)年份的500 hPa异常环流形势为极涡弱(强)、中纬度亚洲为一脊一槽型、东亚大槽深(浅)、南支槽浅(深).     

输水隧道地震响应的多物质ALE数值分析

为研究浅埋输水隧道内部流体对隧道地震响应的影响,考虑黏弹性人工边界、土壤的非线性、隧道结构刚度有效率及流-固耦合作用,建立了双线隧道-土体-流体相互耦合作用的力学模型。通过刚度折减试验得到衬砌环环向、径向、轴向刚度,进而引入正交各向异性连续材料作为衬砌材料模型。采用基于任意拉格朗日-欧拉（ALE）描述法的流-固耦合方法,对上海某大直径双线输水隧道在流体作用下的地震响应进行了分析。通过与等效密度法对比,验证耦合模型对于处理输水隧道多物质非线性耦合抗震问题的可行性。计算结果表明,在水平方向地震激励下,无论一致激励或是非一致激励流体对隧道地震变形和内力都有较大影响,但对位移影响较小;对于不同隧道内水量,隧道弯矩均集中于衬砌隧道45°交叉斜线位置;相比于一致激励,非一致激励增强隧道地震位移和变形响应是明显的。     

层状盐岩造腔仿真软件开发及其实用性验证

国内层状盐岩具有夹层多、不溶物含量高等特点,现有造腔软件不能很好地模拟国内层状盐岩水溶造腔过程。基于流体力学和化学动力学等理论,建立能够描述盐岩造腔过程的数学模型,并提出了夹层垮塌判据。结合国内层状盐岩水溶造腔工艺特征,开发出能模拟含夹层盐岩水溶造腔的软件Salt Cavern Builder V1.0。该软件可模拟纯盐岩、多夹层盐岩的水溶造腔过程,能较好地反映出造腔方案在现场造腔过程中每个阶段的实施效果。通过大尺寸型盐造腔相似试验,模拟无夹层和含单一夹层的腔体形状扩展过程。基于相似理论基础,在现场造腔工艺条件下,造腔软件模拟出的结果与试验得到的结果接近,验证了该软件的实用性。     

新型热压WC-Fe基金刚石钻头钻进试验

为满足硬岩钻探的需要,将传统的热压碳化钨(WC)基金刚石钻头胎体中一部分WC用Fe代替,用Excel中的回归分析和非线性规划求解计算出的最优胎体配方,试制了新型热压WC-Fe基金刚石钻头,在可钻性为8级以上的岩石上进行了室内、外钻进试验,取得了较好的效果。