青海祁连山冻土区发现天然气水合物

祁连山冻土区位于青藏高原北缘,多年冻土面积约10×10~4km~2,具有良好的天然气水合物形成条件和找矿前景.2008～2009年间中国地质调查局在青海省天峻县木里煤田聚乎更矿区施工"祁连山冻土区天然气水合物科学钻探工程",迄今共完成钻探试验井4口,总进尺2059.13m,分别在DK-1、DK-2和DK-3钻井中钻获天然气水合物实物样品,取得了找矿工作的重大突破.天然气水合物产于冻土层之下,埋深133～396m.水合物呈白色、乳白色晶体,点火能燃烧,红外热像仪测温后呈明显的低温异常,放进水里强烈冒泡,水合物分解后能不断冒出气泡和水滴,并残留下特征的蜂窝状构造.激光拉曼光谱仪检测呈现特征的水合物光谱曲线,测井曲线也具有较明显的高电阻率和高波速标志.祁连山天然气水合物具有冻土层薄、埋深浅、气体组分复杂、以煤层气成因为主等明显特征,是一种新类型水合物.这是我国冻土区首次钻获的天然气水合物实物样品,也是全球首次在中低纬度高山冻土区发现天然气水合物实物样品,具有重要的科学意义和经济意义.     

高速铁路弹塑性路基及轨道的地震反应特性研究

高铁列车运行时突发地震会对路基及轨道产生振动危害,严重影响列车的安全运行。为此,文中建立轨道系统-弹塑性路基-地基三维精细化有限元模型,分析高速铁路弹塑性路基和轨道在不同列车速度v(50、70、100、130 m·s~(-1))下的地震反应特性,结果表明:地震与列车共同作用下,路基和轨道的位移振幅主要受地震作用影响,而车速变化对路基位移幅值的作用较弱,对轨道的作用较强;地震发生时,列车以不同车速运行会对路基和轨道的频谱曲线产生不同程度的波动影响,其中在车速50 m·s~(-1)时波动最为剧烈,且总体向高频移动,并出现多个振动主频,此时路基和轨道的加速度峰值分别为单独移动荷载的2.3和1.3倍,路基及轨道加速度显著提高;地震作用下,列车的脱轨系数与横向位移在车速50 m·s~(-1)时显著增大,超过列车安全运行的标准;推测车速50 m·s~(-1)(180 km·h~(-1))为列车脱轨的临界速度。     

采控天然冷量过程中青藏铁路路基温度场演变特性研究

针对青藏铁路工程所穿越的高温、富冰多年冻土路基稳定问题, 提出了采控天然冷量, 即在冬季采集并存储地气温差所造成的冷量, 夏季释放, 维护路基稳定的方法. 对典型工程条件下采控天然冷量后路基温度场随时间和空间上的演变规律进行了研究比较, 结果表明: 在不采用附加措施情况下, 直到道路施工完成后的第16年路基内温度场才逐渐进入负温, 因此必须对路基温度场采用人为干预措施. 结果显示, 采控天然冷量方法可以保持青藏铁路路基的稳定.     

离子类土壤固化剂对高温冻土工程性质改良试验研究

为了研究离子类土壤固化剂对青藏高原高温冻土工程性质的改良效果,分别选用酸性和碱性离子类土壤固化剂对冻结青藏粉质黏土进行了改良测试。塑性指数测试表明,两种固化剂的最优含量为0.2%。固化剂含量小于0.3%时,冻结温度相对原状土样没有明显的下降。对不同含量碱性和酸性固化土力学性质进行了测试,无侧限单轴抗压强度相对原状土样整体增大,碱性和酸性固化土抗压强度最大分别提高了78.7%和46.6%,最优配比（0.2%）的碱性和酸性固化土体积压缩系数随养护龄期增大而减小,两种固化土的体积压缩系数相对原状土样最大分别下降了80.0%和38.5%,固化效果明显。碱性固化土力学性质变化更显著,说明其更适合对青藏黏土进行改良。     

冻土弹塑性本构模型研究现状

土体的本构模型是分析计算土工结构变形规律的关键。自剑桥模型提出以来,对于土体本构模型的研究,各国学者在不同环境条件下发展研究了适用于相应试验条件下的各类模型。随着寒区经济的发展,关于冻土力学性质的研究日益增多,许多学者借鉴常规融土的研究方法建立了不同条件下的冻土弹塑性本构模型。为了进一步理清冻土变形行为的特征,完善适用于冻土弹塑性行为的本构模拟理论和方法,作者总结和分析了各类冻土弹塑性本构模型的理论基础、建模方法、参数确定方法等内容,对进一步发展可准确描述冻土复杂力学行为的本构模型具有指导意义。     

中国冻土地下水研究现状与进展综述

冻土地下水系统不仅在寒区水文循环中扮演着重要的角色,同时也在寒区水文过程和地表过程及其科学研究中起到了集蓄、融冻和泄流等至关重要的作用。近几十年随着全球气候变暖及人类活动（寒区工程量）的增加,冻土退化趋势显著,这一过程改变了寒区的水文地质条件,导致地下水动态特征发生显著变化,从而引起一系列的生态环境变化。近些年,诸多学者通过构建水热耦合模型来研究冻土地下水的运动机理、分布状况和季节动态,促进了寒区地下水理论知识的发展,推动了寒区水文地质知识体系的进步。本文主要针对目前我国多年冻土区地下水的研究现状进行了分析、整理、归纳,为进一步研究气候变化下地下水系统的发展与演变,以及对生态环境的影响提供参考依据。     

风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力特征试验研究

连续降雨条件下,风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力特征是深刻认识反复翻浆冒泥病害机制的关键。采用不排水动三轴试验,模拟路基瞬态饱和区列车加载频率和连续降雨条件下排水边界条件,开展路基瞬态饱和区动态水压力特征试验研究。分析了细颗粒含量对风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力的影响,揭示了路基瞬态饱和区细颗粒含量临界值约为25%。当细颗粒含量小于25%时,动态水压力随细颗粒含量的增加而增大;当细颗粒含量大于25%时,动态水压力随细颗粒含量的增加而减小。引入等效粒间孔隙比的概念,解释了细颗粒含量临界值的微观机制和物理意义。基于试验构建了考虑细颗粒含量的风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力经验模型,分析了模型参数随细颗粒含量变化的敏感性。该模型有助于工程技术人员预测连续降雨条件下铁路路基瞬态饱和区动态水压力。     

一种冻土区天然气水合物地球化学勘查新技术——惰性气体氦氖分析

开发不受沼泽微生物影响的地球化学勘查技术是提高中纬度冻土区天然气水合物探井预测成功率的重要课题之一。本文选择在祁连山聚乎更天然气水合物已知区进行惰性气体勘查技术实验,研究了氦氖的测试方法,实验区为高寒沼泽景观,面积150km~2,采样密度2点/km~2,采样深度60cm,采集土壤顶空气样品300件和DK-3井岩芯样品400件,应用色谱反吹技术对顶空气样品进行了惰性气体氦氖的分析。结合地质和地球化学勘查成果进行了综合解释,认为惰性气体异常与天然气水合物矿藏关系密切,与烃类异常浓度范围一致,为顶部异常模式。实验区天然气水合物矿藏11个水合物发现井有10个位于He、Ne异常内,1个井位于异常外。分析了天然气水合物岩芯顶空气轻烃和氦氖指标的垂向分布特征,提出了天然气水合物矿藏上方土壤惰性气体的地气迁移机理。研究区近地表氦氖异常源于深部水合物矿藏和断裂构造,不受沼泽微生物的影响,是冻土区天然气水合物勘查的一种有效技术。     

高原季节性冻土区砂土液化探讨——以阿克陶MS6.7地震为例

2016年11月25日新疆阿克陶县木吉乡发生MS6.7地震,发震构造为公格尔山拉张系北端的木吉断裂,断裂总长度超过100 km,以右旋走滑为主兼有一定的拉张分量。文章在对震区进行了初步的地震地质灾害调查,总结砂土液化和地裂缝在高原季节性冻土地区的分布及发育特点的基础上,发现:1)在研究区Ⅰ维日麻村的砂土液化主要沿原有泉眼或沿地裂缝发育,沿泉眼形成的砂土液化其喷砂锥的覆盖面积达36.1 m2,占总液化面积的60%,研究区Ⅱ布拉克村的砂土液化则主要是沿草甸的根系喷出,在地表形成大面积的最新涌水结冻特征;2)对研究区Ⅱ布拉克村地裂缝的深度进行统计,反演出区域冻土层厚度,结合探槽揭露的地层剖面,推断冻土层发生大面积地裂缝是因为地震引起冻土层下部融土层发生砂土液化导致土层变形失稳,从而使冻土层发生形变产生一系列规律性的地裂缝。     

郑州市市区风环境模拟研究

城市风环境是城市微气候研究的一个重要方向,对分析城市热岛效应、空气流通等具有重要意义。本文以郑州市市区为例,使用1971—2018年气象观测数据、2018年建筑分布数据（OSM）和2016年资源三号卫星数据作为数据源,通过运用气象学和GIS技术结合的方法,探究潜在通风廊道,科学量化城市形态对风环境的影响。研究首先借助WindNinja软件,对城市背景风环境进行模拟分析,该计算方法提高了风道定位的精度。然后利用卫星遥感数据制作了数字高程模型（DSM）,结合OSM计算下垫面地表粗糙度。进一步借助ArcGIS软件,利用最小成本路径法（LCP）确定城市潜在通风廊道的位置。结果表明：① 郑州市近年来平均风速缓慢下降,平均每10年下降0.26 m/s;全年主导风向东北风进入城市后受城市形态影响在京广铁路线附近以西逐渐转为东北偏东风,其中在京广快速路以东风速较高,在京广快速路以西风速较低;② 金水区西部、中原区、二七区以及管城区的地表粗糙度较高,通风环境较差;金水区东部和惠济区的地表粗糙度较低,通风环境较好;③根据盛行风向模拟的潜在通风廊道,其共同特点是趋向于低粗糙度的地区。