青藏高原多年凍土區(qū)筑路的思考

青藏高原多年凍土區(qū)筑路的思考

1藏族多年凍土區(qū)青藏鐵路格段全長(zhǎng)142公里，穿越632公里，最大持續(xù)550公里。世界上，這條路在區(qū)級(jí)以上修建了100多年，但運(yùn)營(yíng)線路的死亡率約為30%?？梢钥闯觯诙嗄曛苾鐾羺^(qū)修建道路仍然是一個(gè)難題。在青藏鐵路穿越的多年制凍土中，高溫凍土段（01）長(zhǎng)275公里，高含冰量?jī)鐾炼危?gt;20%）長(zhǎng)221公里，高含冰量?jī)鐾炼伍L(zhǎng)134公里。因此，在青藏高原的多年制凍土區(qū)建設(shè)道路的難度更大。青藏鐵路是一個(gè)百年大計(jì)，需要考慮50.100年的變化。根據(jù)最近出版的預(yù)測(cè)，由于青藏高原的平均氣溫上升到2.2.26。因此，在世界溫暖的背景下，黃土高原的建設(shè)是困難的。青藏鐵路成功的關(guān)鍵是車(chē)輪。車(chē)輪的關(guān)鍵是凍土，而凍土的關(guān)鍵是沉陷。青藏公路的實(shí)踐表明，道路重建后，60%以上的路段形成了硬化層，其中大部分位于高溫冷土區(qū)。85%的扎特魯克疾病是由合并造成的。這些事實(shí)表明，考慮到青藏高原高溫氣候、高含冰量?jī)鐾梁蜌夂蜃兓艽蟆Ｇ嗖罔F路設(shè)計(jì)的理念，應(yīng)以積極的“冷卻基礎(chǔ)設(shè)施”理念，增加熱阻，提高“冷卻基礎(chǔ)設(shè)施”的概念，確保基塊的穩(wěn)定性，通過(guò)分析不同時(shí)間間隔內(nèi)不同程度的凍土分布，我們可以改變基準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和填充材料，以控制輻射、方向偏差和方向偏差，以實(shí)現(xiàn)“冷卻基礎(chǔ)設(shè)施”的目的。青藏鐵路建設(shè)體現(xiàn)了“洗土”的思想，探索和實(shí)踐了“洗土”的具體措施。這項(xiàng)工作旨在提出和報(bào)告這些探索和實(shí)踐。2遮陽(yáng)板室內(nèi)模型試驗(yàn)研究低的緯度和高海拔的結(jié)合,使青藏高原成為地球上大陽(yáng)輻射最強(qiáng)烈的地區(qū)之一.在高原上,遮擋太陽(yáng)輻射能有效地降低地溫.Kondratyev提出可用遮陽(yáng)棚降低路基下多年凍土地溫.中國(guó)鐵道科學(xué)院西北研究所曾在青藏高原風(fēng)火山開(kāi)展了遮陽(yáng)棚的試驗(yàn)研究.由于青藏高原多大風(fēng),不適合使用遮陽(yáng)棚,所以中國(guó)科學(xué)院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了遮陽(yáng)板的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究,并在青藏高原北麓河站設(shè)置了遮陽(yáng)板進(jìn)行觀測(cè)(圖1).結(jié)果顯示:遮陽(yáng)板設(shè)置1a后,路堤向陽(yáng)路肩的地溫比沒(méi)有遮陽(yáng)板的對(duì)比路堤同樣位置的地溫低3～5℃;在12月份,對(duì)比路堤中尚存在未凍夾層,而設(shè)置遮陽(yáng)板的路堤內(nèi)已完全凍結(jié)(圖2),顯示了遮陽(yáng)板明顯的降溫效果.路基填土在反復(fù)凍融作用下會(huì)變得疏松,遮陽(yáng)板既擋風(fēng),又擋雨,能有效地防止路堤坡面的風(fēng)蝕和水蝕.3控制分配青藏鐵路采用了塊/碎石層、通風(fēng)管和熱管等對(duì)流調(diào)控措施.3.1塊石路堤與氣冷路堤1969\_1970年,前全蘇鐵路運(yùn)輸研究院斯科沃羅丁凍土研究站根據(jù)實(shí)測(cè)資料提出,用大塊碎石修筑的路堤較之用其它類型土修筑的路堤,其基底土的溫度大大降低.1973年原中國(guó)科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所在青海省熱水煤礦的厚層地下冰地段用直徑0.3m的塊石修筑了高2.7m的試驗(yàn)路堤(圖3),觀測(cè)表明:塊石路堤有明顯的降低地溫的效果.1992年阿拉斯加大學(xué)(費(fèi)爾班克斯)力學(xué)工程系對(duì)大孔隙碎石層的熱對(duì)流進(jìn)行了一系列的計(jì)算模擬研究,1993年在費(fèi)爾班克斯附近的BrownsHillQuarry修建了試驗(yàn)路堤,結(jié)果十分令人鼓舞.阿拉斯加公路部把這種路堤稱為氣冷路堤(aircooledembankment,ACE).3.1.1結(jié)構(gòu)塊/碎石層在路堤上的應(yīng)用可以有多種結(jié)構(gòu),如塊/碎石夾層路堤、U型塊/碎石層路堤、塊/碎石護(hù)坡、塊/碎石護(hù)道等(圖4).3.1.1.塊石夾層路堤由于鐵路設(shè)計(jì)要求軌道下至少要有2.5m厚的土層,所以出現(xiàn)了塊/碎石夾層路堤(圖5).在清水河設(shè)置了塊石夾層路堤的觀測(cè),該處年平均氣溫為-6.2℃,年平均地溫為-0.91℃,路堤填高6.3m,塊石直徑20～40cm,塊石層厚1.5m,置于路堤底部的原地面之上.線路基本為WE走向,主導(dǎo)風(fēng)向NE,平均風(fēng)速為4.5m·s-1.試驗(yàn)路堤在2001年11～12月施工,至2004年1月的觀測(cè)結(jié)果如表1所示.從觀測(cè)結(jié)果可見(jiàn):塊石夾層路堤有一定的降溫作用,優(yōu)于普通路堤,但由于上覆4.8m厚的土層,故降溫效果大為減弱.對(duì)上覆不同厚度砂礫的塊石夾層路堤的數(shù)值模擬表明:在上覆砂礫石層厚為6.5m時(shí),靠近路堤中心約4m寬的范圍內(nèi),塊石夾層中的空氣流速全年都很微弱,說(shuō)明這一段塊石夾層己經(jīng)喪失了制冷作用.計(jì)算表明:塊石夾層上覆的砂礫石層越厚,其冷卻作用越弱;當(dāng)上覆砂礫石層>5.5m時(shí),塊石夾層中就開(kāi)始出現(xiàn)喪失制冷作用的區(qū)域.3.1.1.坡面溫度觀測(cè)結(jié)果孫斌祥等對(duì)單層、水平設(shè)置的碎石路堤所作的數(shù)值模擬揭示,自然對(duì)流首先發(fā)生在路堤的兩個(gè)邊坡,隨Rayleigh數(shù)的增加而逐漸擴(kuò)展到路堤中心,路堤邊坡處的自然對(duì)流始終要強(qiáng)于路堤中心.這一結(jié)論為塊/碎石氣冷護(hù)坡提供了理論依據(jù).在北麓河進(jìn)行了塊/碎石護(hù)坡的試驗(yàn)研究.該處年平均氣溫-5.2℃,年平均地溫-1.4～-1.6℃.碎石(5～8cm)護(hù)坡路堤高4.1m,護(hù)坡厚度80cm,觀測(cè)斷面位于DK1141+324;塊石(40～50cm)護(hù)坡路堤高4.8m,護(hù)坡厚度80cm,觀測(cè)斷面位于DK1141+374(圖6);用于對(duì)比的普通路堤高4.5m,觀測(cè)斷面位于DK1142+530.坡面溫度觀測(cè)點(diǎn)位于坡面下10cm,觀測(cè)結(jié)果表明(圖7):無(wú)論是路堤陽(yáng)坡還是陰坡,暖季碎石護(hù)坡面溫度低于普通路堤坡面溫度,起到了隔熱作用;而冷季碎石護(hù)坡面溫度高于普通路堤坡面溫度,說(shuō)明碎石護(hù)坡中發(fā)生了對(duì)流作用.從碎石護(hù)坡和普通路堤中心孔的地溫-深度曲線可看出(圖8),碎石護(hù)坡路堤下的地溫降低幅度要大于普通路堤,地表以下2m范圍內(nèi)的地溫仍在逐步降低,顯示了較強(qiáng)的冷卻作用.路堤建成3a后,普通路堤下的凍土上限僅在路堤中心部位抬升到路堤基底以上,而塊石護(hù)坡路堤下的凍土上限己大部分進(jìn)入路堤本體.同時(shí),其地溫整體上要低于普通路堤下的地溫(圖9),說(shuō)明塊石護(hù)坡路堤起到了降低地溫的作用.3.1.1.路堤等結(jié)構(gòu)的路堤對(duì)比模擬由于塊/碎石夾層路堤上覆土層降低了其冷卻作用,所以建議增設(shè)塊/碎石護(hù)坡,形成U型結(jié)構(gòu),以提高路堤的熱穩(wěn)定性.Zhangetal.對(duì)普通帶道碴的路堤、碎石夾層路堤和U型碎石層路堤等三種結(jié)構(gòu)的路堤,在平均氣溫為-4.0℃,未來(lái)50a氣溫上升2.6℃的情景下的熱狀況進(jìn)行了數(shù)值模擬.模擬的路堤總高度為5m,碎石直徑10cm,碎石夾層厚1.5m,上覆3.5m砂礫層,碎石護(hù)坡寬1.6m.模擬結(jié)果表明:50a后,普通帶道碴路堤下多年凍土上限明顯下降至7.4m的深度,路基不穩(wěn)定;碎石夾層路堤下的凍土上己接近天然地表,但整體地溫偏高,接近0℃;而U型碎石層路堤下的凍土上限己進(jìn)入碎石夾層底部,且整體地溫比碎石夾層路堤下地溫低了0.25～0.3℃,有較高的穩(wěn)定性(圖10).3.1.2本構(gòu)模型的檢驗(yàn)及地溫下的比較碎/塊石層的降溫能力的大小與碎/塊石的粒徑有關(guān).喻文兵等在開(kāi)放條件下進(jìn)行了不同粒徑碎/塊石降溫效果的模型試驗(yàn),結(jié)論是平均粒徑7cm的碎石層的降溫效果優(yōu)于平均粒徑22cm的塊石層.全曉娟等對(duì)封閉條件下的碎/塊石層的最佳粒徑進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)研究,得到的結(jié)果是9cm粒徑的碎石層的降溫效果最佳.孫斌祥等進(jìn)行了封閉條件下,碎石粒徑對(duì)自然對(duì)流降溫效應(yīng)的模型試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在其它條件相同的情況下,隨粒徑增大,自然對(duì)流降溫強(qiáng)度亦增大.考慮多種因素后,推薦工程上使用粒徑6～8cm的碎石.青藏高原上幾個(gè)實(shí)體試驗(yàn)工程的觀測(cè)揭示:塊石的降溫效果要優(yōu)于碎石.北麓河試驗(yàn)段碎石(5～8cm)和塊石(40～50cm)護(hù)坡的寬度均為80cm,觀測(cè)結(jié)果表明:暖季,碎石層下的地溫低于塊石層下的地溫;而冷季,塊石層下的地溫明顯低于碎石層下的地溫.觀測(cè)資料顯示,塊、碎石層下的地溫仍在逐年降低,塊石層下的年平均地溫要低于碎石層下的年平均地溫,而且溫差有加大的趨勢(shì),說(shuō)明塊石護(hù)坡的降溫能力要優(yōu)于碎石護(hù)坡(表2).五道梁等試驗(yàn)段也觀測(cè)到了同樣結(jié)果.塊/碎石護(hù)坡中的熱交換受風(fēng)的影響極大,在多大風(fēng)的青藏高原上,護(hù)坡中的空氣流動(dòng)以強(qiáng)迫對(duì)流為主.塊石層中的孔隙大于碎石層,空氣流通性好,受強(qiáng)迫對(duì)流的影響必然大于碎石層,因而地溫較差也大于碎石層.又因?yàn)榍嗖馗咴浼径鄰?qiáng)風(fēng),暖季風(fēng)小,冷季風(fēng)的作用明顯強(qiáng)于暖季,所以塊石層的年平均地溫要低于碎石層,降溫效果也明顯.3.1.3坡面為封閉護(hù)坡,孫斌祥等對(duì)粒徑6～8cm的碎石護(hù)坡進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn),提出了用Nusselt數(shù)評(píng)價(jià)降溫效應(yīng)和確定碎石護(hù)坡最小厚度的方法,結(jié)果表明:在其它條件相同的情況下,開(kāi)放的碎石護(hù)坡的降溫效果好于封閉的碎石護(hù)坡;護(hù)坡厚度越大,降溫效果也越顯著.在青藏高原的北麓河、五道梁、開(kāi)心嶺和清水河設(shè)置了實(shí)體工程試驗(yàn),以比較不同厚度塊/碎石護(hù)坡的冷卻效應(yīng).觀測(cè)表明,無(wú)論是塊石還是碎石護(hù)坡,厚度越大,其下的地溫越低(圖11).由圖11可以看出,清水河不同厚度護(hù)坡下的地溫差異主要表現(xiàn)在冷季,而其它3處則主要表現(xiàn)在暖季.出現(xiàn)這種差異的原因可能是:1)清水河的護(hù)坡用的是20cm的塊石,而其它3處是10cm的碎石;2)清水河試驗(yàn)段線路走向近WE,主導(dǎo)風(fēng)向NE,陽(yáng)坡為背風(fēng)坡,與其它3處不同.3.1.4封閉和封閉條件下的冷卻效應(yīng)張明義等對(duì)塊徑10～30cm,高1.3m的開(kāi)放和封閉兩種塊/碎石路堤的冷卻效應(yīng)進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn).結(jié)果表明:在其它條件相同的情況下,開(kāi)放結(jié)構(gòu)塊/碎石路堤的降溫速度快于封閉結(jié)構(gòu),但從長(zhǎng)時(shí)間看,封閉結(jié)構(gòu)的降溫能力要強(qiáng)于開(kāi)放結(jié)構(gòu).因而認(rèn)為,在年平均氣溫<0℃的多年凍土區(qū)兩種結(jié)構(gòu)均可采用,而在溫度較高地段,建議采用封閉的塊/碎石路堤.對(duì)開(kāi)放和封閉條件下,粒徑10cm的碎石夾層路堤冷卻效應(yīng)的數(shù)值模擬表明:在多風(fēng)的青藏高原,邊界是否開(kāi)放,對(duì)碎石夾層路堤內(nèi)的傳熱模式有很大的影響.封閉的碎石夾層路堤的冷卻作用主要依賴于由溫度梯度引起的內(nèi)部自然對(duì)流;而開(kāi)放的碎石夾層的冷卻作用則主要依靠外部低壓氣流(風(fēng))引起的強(qiáng)迫對(duì)流.對(duì)較薄的碎石夾層,開(kāi)放和封閉系統(tǒng)的冷卻效應(yīng)無(wú)明顯差別,開(kāi)放的略好于封閉的;而對(duì)厚的碎石夾層,開(kāi)放的冷卻效應(yīng)要明顯好于封閉的.青藏高原的大風(fēng)75%發(fā)生在冷季,對(duì)開(kāi)放的塊/碎石路堤的冷卻很有利,但具體影響的程度,要視風(fēng)向和線路走向的關(guān)系而定.實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的模型試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn):迎風(fēng)的碎石護(hù)坡中,主要發(fā)生強(qiáng)迫對(duì)流;而在背風(fēng)的碎石護(hù)坡中,強(qiáng)迫和自由對(duì)流可能同時(shí)存在(圖12).3.2熱管路堤下冷卻效率研究青藏高原年平均氣溫與地表溫度之間的差值平均在3℃左右.因此,在路堤中設(shè)置通風(fēng)管能有效地降低其下的地溫.在北麓河設(shè)置了通風(fēng)管路堤的實(shí)體試驗(yàn)工程(圖13),觀測(cè)結(jié)果表明:通風(fēng)管能有效地降低地溫;埋置高度接近地表的通風(fēng)管,其冷卻效應(yīng)要好于埋置位置高的通風(fēng)管.觀測(cè)資料表明:通風(fēng)管的埋置高度接近地表的路堤,在建成1a后,多年凍土上限己上升到了原地表,其后-1℃地溫等溫線也隨著抬升(圖14).對(duì)比普通路堤、通風(fēng)管埋置于路堤中部和下部的路堤原地表下2m深度上的地溫發(fā)現(xiàn),通風(fēng)管埋置于路堤下部(距地表0.7m)路堤的地溫逐年都有明顯下降(圖15),降溫效果最好.李寧等通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)值仿真試驗(yàn),考慮了通風(fēng)管管徑、管間間距、埋設(shè)高度等因素對(duì)冷卻效果的影響,并考慮到通風(fēng)管的變形和強(qiáng)度,以及凍土路基的穩(wěn)定性要求,提出了通風(fēng)管路基的設(shè)計(jì)原則.通風(fēng)管加強(qiáng)了其下土體冷季的放熱,但在暖季也增加了其下土體的吸熱.為了提高冷卻效率,在北麓河進(jìn)行了自動(dòng)控溫通風(fēng)管的實(shí)體工程試驗(yàn)(圖16).所謂自控通風(fēng)管,是在通風(fēng)管一端,或兩端安裝可以根據(jù)氣溫變化自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉的風(fēng)門(mén),該風(fēng)門(mén)帶有溫度感應(yīng)和控制單元,在外界溫度高于設(shè)定溫度時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉.觀測(cè)結(jié)果表明:自動(dòng)溫控裝置大大地提高了通風(fēng)管的冷卻效率;兩端裝有自動(dòng)溫控裝置的通風(fēng)管的冷卻效率要高于僅一端裝自控裝置的通風(fēng)管.熱管是傳熱效率很高的冷卻裝置,在清水河進(jìn)行了實(shí)體工程試驗(yàn)(圖18).熱管設(shè)置在路堤的左、右兩肩,觀測(cè)結(jié)果表明,熱管能有效地降低路堤下的地溫(表3);熱管的影響半徑<1.8m,建議熱管之間的間距以3m為宜.數(shù)值模擬顯示,在未來(lái)青藏高原氣溫50a上升1℃的情景下,年平均氣溫-3.5℃的地區(qū),使用熱管路堤能保持路堤下凍土不退化.為了提高熱管的冷卻效率,提出了在熱管路堤底部設(shè)置保溫層的設(shè)想.數(shù)值模擬結(jié)果表明:在未來(lái)青藏高原氣溫50a上升2℃的情景下,目前年平均氣溫為-3.5℃地區(qū)的熱管路堤下多年凍土發(fā)生退化;但設(shè)置了保溫層的熱管路堤下,多年凍土上限仍有所抬升.目前,熱管均設(shè)置在路堤兩肩,離路基中心較遠(yuǎn),影響了冷卻效率.今后應(yīng)對(duì)熱管的結(jié)構(gòu)和設(shè)置作進(jìn)一步的改進(jìn),以提高對(duì)路堤的整體冷卻效率.4層疊結(jié)構(gòu)熱半導(dǎo)體熱半導(dǎo)體材料的熱性能水在結(jié)成冰后,導(dǎo)熱系數(shù)由0.45W·m-1·℃-1變?yōu)?.2W·m-1·℃-1,為原來(lái)的4倍.利用這一性質(zhì),可制作凍結(jié)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于融化時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)的材料,用于使路堤在冷季加強(qiáng)放熱,而在暖季減少吸熱,從而冷卻路基,起到“熱半導(dǎo)體”的作用.俞祁浩在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了層疊結(jié)構(gòu)熱半導(dǎo)體的試驗(yàn),在密閉的容器中放置與空氣互層的吸水材料,并在底部注入一定厚度的水層.對(duì)該“熱半導(dǎo)體”的測(cè)試結(jié)果表明,其在融化時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為0.11W·m-1·℃-1,凍結(jié)時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)為1.2W·m-1·℃-1,凍、融狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)的比值達(dá)到10.9.5綜合控制調(diào)控輻射、調(diào)控對(duì)流和調(diào)控傳導(dǎo)的措施如能綜合使用,可大大提高冷卻效果.5.1遮陽(yáng)板和遮陽(yáng)板保障資金的生物護(hù)坡旱橋既遮陽(yáng),又通風(fēng),而且有很好的力學(xué)穩(wěn)定性,是保證高溫、高含冰量地段路堤穩(wěn)定的有力措施(圖19).旱