基于分区和多元数据的青藏高原温泉区域多年冻土分布研究

以野外勘探、室内理论分析与建模为主要研究方法,以数字高程模型(GDEM)和实测数据为基础进行统计分析,发现坡向对多年冻土分布具有重要影响。针对青藏高原温泉区域地形的复杂性,基于分区的方法将研究区分为平原区和山区两个地形区。对于平原区来说,考虑到苦海湖泊对多年冻土的影响,将苦海滩地单独划出并采用专家知识完成冻土制图,其余平原区采用建立的地温模型进行冻土制图;对于山区来说,通过定量化研究坡向对冻土地温的影响建立了基于坡向调整作用下的地温模型,应用此模型完成了山区的冻土分布图。以地温作为冻土类型划分的依据,分析了研究区域冻土的空间分布与特征,结果表明:多年冻土的分布面积为1 681.4km2,占整个区域的66.7%,其中,过渡型和亚稳定型多年冻土为主要多年冻土类型,两者占整个研究区域的50.8%,其次为不稳定型多年冻土(11.4%),稳定型和极稳定型多年冻土的面积比例相对较小(4.4%和0.2%)。从空间分布格局来看,冻土分布具有明显的垂直分带特征,随着海拔高度的升高,冻土地温逐渐降低,冻土类型依次经历季节冻土-不稳定型多年冻土-过渡型多年冻土-亚稳定型多年冻土-稳定型多年冻土-极稳定型多年冻土的变化。     

冻土区管土相互作用研究综述

管道是长距离输送天然气或石油的最经济有效的工具之一,当管道穿越冻土区时,将面临土体冻胀融沉作用引起的管道弯曲变形和破坏,管土之间的相互作用为冻土区管道设计和运营的重要考虑因素。简述目前世界上主要的穿越冻土区管道工程（罗曼井管道、俄罗斯远东地区管道、美国阿拉斯加管道及中国寒区管道网）的设计理论发展,归纳总结了管土相互作用室内外相关试验、数值模拟分析理论和方法等方面的研究成果和发展现状,并针对冻土区管土相互作用的研究提出进一步的研究展望。     

青藏高原多年冻土退化过程及方式

气候变暖势必引起多年冻土的退化,基于数值模拟结果,将多年冻土退化过程按地温的深度剖面曲线形态划分为初始阶段、升温阶段、0梯度阶段、不衔接阶段和消失阶段．青藏高原多年冻土多是晚更新世残留,而全新世期间总体上是一个退化过程．根据青藏高原几个典型地区多年冻土深孔测温数据,判断目前高原多年冻土在其退化历史中所处的地位：高山地区处于升温阶段;中低山地区处于升温阶段末期;高平原和河谷盆地的多年冻土处于0梯度阶段;连续多年冻土下界附近及岛状冻土地区,正处于由0梯度向不衔接阶段过渡,多年冻结层边缘在萎缩,处于消失阶段．多年冻结层消融（消失）存在自下而上和自上而下两种方向．在升温阶段,多年冻土层中的热通量小于来自下伏地层中的地热通量时,部分地热流用于多年冻土底板相变耗热,发生自下而上的消融,随着多年冻土层中的地温梯度减小,用于底板消融的热量增加,直到地温曲线完全达到0梯度时,所有的地热流都用于多年冻土层融化潜热消耗,但其上部同时存在“热补偿”和“季节补偿”作用可以延缓多年冻土的消失;对于低温厚层多年冻土,当地面温度升高至可以抵消热补偿效应时,活动层中出现热积累,厚度增加,直至出现不衔接现象,同时存在“季节反补偿”作用,加剧了这一过程．     

保温法在青藏铁路路基工程中应用的适用性评价

保护冻土原则是多年冻土区路基设计的首要选择.运用带相变瞬态温度场的有限元数值解法,模拟分析了铺设聚苯乙烯(EPS)板后铁路路基下多年冻土最大融化深度在随后50 a内随时间的变化,提出了保温板铺设的适宜位置和合理厚度.总结分析了保温路基中保温板的合理宽度和保温路基合理的施工时间,基于年平均气温给出了多年冻土区铁路路基工程中保温法的适用范围,并对多年冻土年平均地温对保温处理措施适用范围的影响进行了分析.     

中国-俄罗斯原油管道工程(漠河-大庆段)冻土工程地质考察与研究进展

在2005-2007年期间,先后3次对中国-俄罗斯原油管道漠河-大庆段沿线的冻土工程地质条件等进行科学考察,开展了冻土工程地质条件及其在气候变化和人类活动作用下的评价和预测研究.考察研究结果表明:管道沿线多年冻土在各类融区、季节冻土和水系等分隔作用下呈片状或岛状分布,沿线岛状、稀疏岛状及零星岛状占多年冻土区段的40%左右;管道沿线多年冻土随着气候的转暖和人类活动的影响不断退化.地形地貌单元、植被分布、地表水分条件的变化等局部因素对多年冻土的分布和地下冰的赋存产生重要的影响,管道沿线大约分布有50 km左右的沼泽湿地,其表层为腐殖质土及泥炭层,泥炭层下面分布着含土冰层或地下冰,是管道沿线最差的冻土工程地质地段;由于中俄原油管道沿线水系发育多,冻胀丘、冰椎和冰幔等不良冻土现象广泛分布.科学考察的成果为管道沿线冻土工程地质条件评价和预测、管道的稳定性影响分析以及后期的长期检测系统设置等研究奠定坚实的基础,进一步为即将开工的中俄原油管道漠河-大庆段工程的设计、施工提供科学依据.     

基于地貌分类的黄河源区多年冻土层地下冰储量估算

地下冰作为多年冻土区别于其他土体的显著特征,对寒区水文、生态环境和工程建设等都有深刻影响。为准确估算多年冻土层地下冰储量,基于黄河源区地貌及其成因类型,结合岩性组成、含水率等105个钻孔的野外实测数据,估算了黄河源区多年冻土层3.0~10.0 m深度范围内地下冰储量,并讨论了浅层地下冰的空间分布特征。研究结果表明:黄河源区多年冻土层3.0~10.0 m深度范围内地下冰总储量为（49.62±17.95） km3,平均单位体积含冰量为（0.293±0.107） m3/m3;在水平方向上,湖积湖沼平原、冰缘作用丘陵等地貌单元含冰量较高,而侵蚀剥蚀台地、冲洪积平原等地貌单元含冰量较低;在垂向上,多年冻土上限附近含冰量较高,并随深度呈减小的趋势。     

青藏高原发现大型冻胀丘群

在青藏高原黄河源地区多格茸盆地内发现大型冻胀丘群,这些冻胀丘外观多呈穹窿状,有些呈脊状、新月状.盆地内的冻胀丘隆起高度多在3~6 m,最高不超过10 m,水平扩展范围数十米到上百米,最大超过300 m.冻胀丘在盆地内密集分布,众多小型湖塘嵌于其中,分布密度估计5~8个·km^-2,局部区域内可达10个·km^-2以上.从外观看,多数冻胀丘形态较完整,但有的已经部分塌陷,有的几乎完全塌陷,不同塌陷阶段的冻胀丘在盆地内均有发现.冻胀丘顶部钻孔岩芯揭示高含冰地层从丘顶以下5 m左右一直延续到20多米,局部发育厚层地下纯冰层,厚度可达2 m以上.根据外观形态、地下冰类型判断,这些多年生的冻胀丘属冰土丘(lithalsa),和常见的冰核丘(pingo)有所区别.初步判断,这些冻胀丘形成于全新世大暖期以后的新冰期时期.多格茸盆地冻胀丘群的发现对现行的工程建设及工程建筑物的运营安全、区域古环境、流域水文等方面的研究都具有重要意义.     

考虑结构性的冻融作用对黄土湿陷系数的影响

结构性是黄土的基本属性,黄土的湿陷特性与其结构性之间有着必然的联系。针对冻融作用对不同结构性黄土湿陷性的影响,以水泥作为模拟土颗粒间的联结材料制备了人工结构性土,开展了不同水泥含量的人工结构性土与相应的原状土、重塑土的湿陷试验,分析了结构性、冻融作用、初始含水率、湿重度及荷载大小对湿陷系数的影响规律。试验结果表明：冻融前后,人工结构性黄土的湿陷系数均比原状土、重塑土的湿陷系数小,且随着水泥含量的增加,湿陷系数有所减小;冻融之后,各土样的湿陷系数几乎均有所增加,但增加的程度和土样初始结构、含水率、干密度（压实系数）及竖向荷载关系密切,尤其当含水率接近最优含水率和土样为重塑土或水泥含量较低的人工结构性土时,冻融后湿陷系数增大幅度显著。在标准荷载200 kPa下,冻融前后原状土、重塑土的湿陷系数与其湿重度之间基本呈较好的线性负相关关系,而人工结构性黄土湿陷系数与湿重度之间并不呈线性关系;竖向荷载为50 kPa时,重塑黄土和5%水泥含量黄土的湿陷系数与冻融次数之间存在着较好的对数关系。以水泥作为土颗粒间联结材料,制备的人工结构性土是否能很好地代替原状土反映结构性黄土的湿陷特性,还需更进一步深入研究。     

煤矿井工开采对冻土环境的影响分析

在多年冻土区进行煤矿井工开采,冻土稳定性是影响煤矿开采的制约性因素。采用数值模拟方法分析煤矿井工开采对冻土环境的影响。研究结果表明,最大融深随时间呈增大趋势;沿井壁深度,最大融深逐年增加,在多年冻土与季节冻土的交界附近,最大融深增加较快。由于开采巷道横截面较小,在有效的冻土保护措施下,井壁周围多年冻土温度升高幅度不会太大,因而井工开采会对井壁周围多年冻土造成一定影响,但不会造成大面积冻土的融化变形。     

青藏高原热融湖塘的水热过程及其对下伏多年冻土的热影响

以青藏高原查拉坪地区一处热融湖塘(40 m×50 m,最大深度为1 m)为研究对象,由实测数据对比分析了热融湖塘与天然地表相同深度的温度变化特征.结果表明:与天然地表相比,热融湖塘融化时间长,冻结时间短,且存在接近4℃的水温变化;受太阳辐射及热对流的影响,垂向水温梯度仅在水表从4℃降温及冻结阶段较大,其余时段接近0;湖底年均温度比相同深度的天然地表高约6.4℃,湖底下部存在约14 m深随时间发展的融区,土体吸热增大,放热减小;热融湖塘2.5~3.0 m土体的年内热交换为19592.0 k J/m2,约是天然地表的230倍,其中吸热量及放热量分别为后者的1.4倍及8.7%.湖塘下部的融化夹层是深层冻土的主要热源,湖塘对下部土体放热的抑制作用是湖塘对土体产生热影响的主要原因.