气候变化影响下多年冻土区铁路路基热稳定性分析

全球气候变暖加剧了青藏高原气候暖湿化,威胁着高原铁路路基及下伏多年冻土的热稳定性,但以往研究缺乏综合考虑铁路沿线气候、多年冻土及路基稳定性的系统分析。针对这一研究的不足,基于铁路沿线气象和多年冻土路基地温监测数据,分析铁路沿线多年冻土区气温降水、天然场地年平均地温与天然上限、路基人为上限及路基左右路肩沉降变化,揭示气候暖湿化背景下铁路多年冻土路基热稳定性变化,为多年冻土区铁路建设和维护提供参考。结果表明:近20年来,铁路沿线年均气温和年均降水量的平均值分别增加了1.2℃和80mm;相较于2007年,2020年铁路沿线天然场地多年冻土年均地温平均升高0.1℃,多年冻土天然上限平均下降0.58 m,路基人为上限平均抬升2.34 m,路基左路肩平均沉降大于右路肩,存在阴阳坡效应。整体而言,铁路多年冻土路基状态稳定,运行状态良好,建设运营期间采取的一系列工程措施有效,但面向未来气候加剧变化趋势,应提前谋划多年冻土保护新技术。

高温不稳定多年冻土区保温护道路基热状况监测分析

基于高温不稳定多年冻土区保温护道路段地温监测数据,分析了天然场地及左右路肩下地温、年平均地层温度、热收支及多年冻土上限变化等,探讨了气候变暖及阴阳坡效应下路基不同位置不同深度热状态变化特性及其与天然场地的差异。结果表明:左右路肩阴阳坡效应显著,左路肩下多年冻土最大融化深度为右路肩的2倍,最大融化深度降低速率为右路肩的5倍,且左路肩下多年冻土上限下降速率为右路肩的1.5倍;右路肩处在阴坡且保温护道可能对其多年冻土维持稳定起到了一定积极作用,抬升了其人为冻土上限并减缓了上限下降速率。不同位置年平均地层温度均呈上升趋势,且增长速率随深度逐渐降低,然而左路肩的路基与天然场地交界面附近温度增长速率大于2.5 m深度处,表明此特殊位置土层在多因素作用下可能受到更强的热扰动影响。一般情况下,冻土吸热放热量均随深度降低逐渐减少,但多年冻土上限处在0℃等温线的特殊位置,可能出现吸热量突然增大的现象;多年冻土上限处由于深度较深,热收支增长速率已不受阴阳坡效应影响,该断面左路肩多年冻土上限处年平均热收支为右路肩的2.92倍,但其热收支增长速率几乎相等。

土壤电阻率的负温特性及冻土对接地极冲击响应的影响

西藏地区由于独特的气候与地理环境,在其冻土地区存在雷电与低温共存现象。低温下冻土作为含冰复杂体系,其在雷击下的冲击散流性能仍不明晰,因此该文就冻土电阻率的负温特性以及接地极的冲击特性开展研究。首先研究了不同含水量、含盐量的土壤电阻率随温度的变化规律;然后在冲击电流作用下,以永冻土试品的表层土壤融化厚度和季节性冻土试品的表层土壤冻结厚度为变量,探究了其对相应冻土中垂直接地极暂态电位的影响规律;最后结合冻结条件下土壤冲击放电的形貌特征与地中电场强度和电流密度的分布特性,探讨了负温下接地极暂态电位变化的本质原因。试验研究表明:考虑盐分对土壤的影响,当其温度在一次冻结温度Tf与二次冻结温度Ts之间时,电阻率随温度下降缓慢上升,只有当温度降至二次冻结温度时,才存在突增现象;在永冻土中,当冻土温度高于Ts时,接地极仍具有较好的散流性能。由此可知降低Ts可以减小水分冻结对土壤电阻率的影响,为避免极寒地区接地极失效提供了新思路。

基于SHAW模型的黑河上游多年冻土与季节冻土水热过程模拟

全球气候变暖导致多年冻土快速升温,并逐渐退化为季节冻土,而多年冻土和季节冻土在土壤稳定性、水分传输及地气交换等方面存在显著差异。因此,探究多年冻土与季节冻土的冻融特征差异具有重要意义。本文基于水热耦合模型(SHAW),以黑河上游祁连山区的大沙龙站(多年冻土)和阿柔站(季节冻土)为研究对象,对土壤温度、湿度和土壤冻融过程进行模拟分析。结果表明:SHAW模型在模拟两种类型冻土站点水热过程时均显示出了良好的精度,在多年冻土站点的总体表现更好。具体而言,多年冻土/季节冻土站点的土壤温度和土壤湿度的平均纳什效率系数(NSE)分别为0.95/0.91和0.74/0.37。同时,两个站点的水热过程差异显著,多年冻土站点模拟期平均冻结速率(6.75 cm·d^(-1))显著大于季节冻土站点(1.33 cm·d^(-1)),而平均融化速率(2.11 cm·d^(-1))略小于季节冻土站点(3.15 cm·d^(-1))。由于多年冻土站点的下伏多年冻土层起着“地下冷源”的作用,深层(80 cm以下)土壤温度的季节波动幅度小于季节冻土站点。本文结论可为研究黑河上游多年冻土与季节冻土的冻融差异提供参考。

岛状多年冻土区高速铁路路基热状态及工程措施效果分析

为揭示岛状多年冻土区高速铁路路基热状态,提出合理有效的制冷结构,在新建哈尔滨至伊春高速铁路某车站试验段开展现场监测,获得岛状多年冻土的地温数据;基于实测地温数据,采用冻土水热耦合理论,对将在试验段实施的两侧双排普通热棒路基、两侧双排+中心单排全季热棒路基、两侧单排+基底横向通铺全季热棒路基3种制冷路基结构进行数值模拟,对比了3种制冷路基结构的地温分布特征及对下伏岛状多年冻土的降温效果。研究结果表明:铁力地区年均气温和降水呈增大趋势,天然场地岛状多年冻土地温在-0.3℃左右,属于高温极不稳定多年冻土。3种制冷路基结构中,两侧单排+基底横向通铺全季热棒对岛状多年冻土保护及降温效果最优,两侧双排普通热棒最差。普通热棒路基的多年冻土上限呈“两侧凸,中间凹”形态,抬升不明显;全季热棒路基的多年冻土上限呈“上凸缓斜平顶”形态,抬升显著。研究成果可对多年冻土区高速铁路路基建设和结构优化提供技术支撑。

冻土区土壤甲烷排放的研究进展及发展趋势

作为全球碳循环系统及陆地生态系统的重要组成部分,冻土区土壤甲烷排放在土壤碳库与气候变化之间的反馈联动机制中扮演着关键性角色,并因此成为全球气候变化研究中的前沿热点问题。冻土区土壤甲烷排放的气源主要为微生物产甲烷活动和冻土层、天然气水合物中的气体释放作用,其中,微生物气源的研究较为成熟,而冻土层和天然气水合物气源甲烷的排放研究目前尚停留在定性分析阶段。在影响因子方面,文献计量学统计结果中出现频次最多的关键词依次为土壤温度、湿度和水位条件、有机质含量、地表植被条件等,这些要素可以对甲烷产生、传输和氧化吸收等多个环节产生影响。模型计算法是当前冻土区土壤甲烷排放评估预测的主要方法,包括早期的统计计算模型和近年来出现的基于土壤甲烷排放成因机理的过程模型,相关计算结果有效地支撑了全球气候变化评估研究。通过对冻土区土壤甲烷排放研究成果的梳理和总结,发现当前对冻土区土壤甲烷排放的气源和单因子影响作用认识较为明确,不同尺度的监测和评估方法也较为成熟。但是,对多气源作用下的冻土区土壤甲烷复合排放研究仍然较为薄弱,尤其是在冻土层和天然气水合物的甲烷释放方面,还缺少相关的定量计算研究。与此同时,在影响因子研究方面,也缺少多因素作用下的成因机理和驱动机制分析。因此,可以通过多方法、多因素综合监测研究,利用产甲烷微生物的元基因组分析、多气源土壤甲烷排放的同位素示踪等新技术和新方法,结合卫星遥感等大尺度观测结果,完善冻土区土壤甲烷排放的过程模型。此外,作为全球的“第三极”,青藏高原区域碳循环系统的变化将对亚洲,乃至全球气候变化产生重大影响。因此,还应进一步加强对青藏高原中纬度高原冻土区土壤甲烷排放的相关研究,为区域碳排放的定量评估和全球气候变化的研究提供理论支撑。

高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段冻胀特性数值模拟研究

铁路路桥过渡段是整个线路中至关重要部分,也是相对薄弱部位,高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段填土冻胀引起墩台梁体变形变位,对线路平顺性造成了很大影响。针对高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段冻胀问题,基于热力耦合理论,采用ABAQUS软件建立铁路路桥过渡段数值模型,分析过渡段温度场与填土冻胀发展变化规律,探讨由桥台后填土冻胀引起的桥梁-桥台-填土相互作用。结果表明:材料热力学特性与桥台温度边界是影响温度场平衡过程与分布规律的主要因素,且距桥台距离增加,影响逐渐减弱;过渡段土体地温具有正弦分布、相位滞后与振幅衰减规律;随着填土水平冻胀变形发展,桥台会逐渐发生侧移和倾斜,进而导致桥梁与桥台顶紧,影响桥梁结构安全。

气候变化下大兴安岭南段季节冻土退化特征

[目的]季节冻土退化会直接影响生长季初期的水分补给,进而影响区域森林健康。然而,目前大兴安岭南段的冻土退化,特别是气候变化下冻土如何退化尚不清楚。[方法]在内蒙古赛罕乌拉国家级自然保护区长期实验森林中,定位观测2014-2022年气温、土壤温度、土壤体积含水量等环境因子,分析森林季节冻土退化特征。[结果]研究表明:大兴安岭南段气温加速上升,1997-2022年间年平均气温上升速率为0.42℃·(10 a)^(-1),比1973-1996年间的升温速率[0.34℃·(10 a)^(-1)]加快了23.5%;且冻融期(当年11月-次年6月)平均气温上升速率更快[0.46℃·(10 a)^(-1)]。土壤的冻融模式呈自上而下单向冻结,单向融化;冻结速率、融化速率随着土壤深度的增加而变快,在40~80 cm土层达到最大值(冻结速率2.23 cm·d^(-1)、融化速率4.50 cm·d^(-1))。季节冻土持续退化,观测到的最大冻结深度由80 cm减少至40 cm;冻融期显著缩短,开始冻结时间推迟,完全融化时间提前,导致年冻融期缩短15.21%。应用本文建立的冻融多元线性回归模型计算得出,积温升高对研究区季节冻土退化的贡献率超过90%,是该区域季节冻土退化的最主要原因。[结论]在大兴安岭南段,冻土退化主要表现为冻融期缩短,气温升高是导致季节冻土退化的主要驱动因素,今后有必要监测季节冻土的变化,从而更好地进行森林经营。

青海南部陆域冻土区钻孔岩芯地球化学特征及其水合物指示意义

为探讨青海南部陆域冻土区烃源岩地球化学异常成因及气源条件,通过分析青海开心岭冻土区TK-1钻孔岩芯样品中酸解烃、荧光光谱、甲烷碳同位素含量及垂向迁移变化特征,解析其烃类地球化学异常成因,剖析岩芯中烃类异常与裂隙或破碎带、水合物稳定带、烃类运聚成藏过程的响应关系,研究其对天然气水合物及烃类运聚的地球化学指示意义。结果显示:钻孔岩芯中烃类在62~80 m、112~119 m、150~169 m和254~350 m深度段出现明显的地球化学异常富集特征,钻孔岩芯酸解烃中烃类组成、参数比值(C_(1)/ΣC_(1-5)、C_(1)/ΣC_(2-5)、C_(1)/ΣC_(2-3)、iC_(4)/nC_(4)等)、甲烷碳同位素(δ^(13)C_(PDB))显示烃类以热解成因为主,包括油型裂解气、凝析油伴生气、煤成气和少量的无机成因气。二叠系那益雄组煤系烃源岩处于高—过成熟阶段,其热演化过程中的生排烃气可能是形成水合物所需气体的重要来源。冻土带的封盖“挡板效应”,在冻土层下方形成烃类地球化学强异常,可作为天然气水合物及烃类运聚等异常现象的指示。裂隙或破碎带内岩芯酸解烃组分含量相对较高,随着深度变化,烃类组分呈现明显的“色层效应”,显示裂隙或破碎带对烃类的运移、聚集具有一定控制作用。

农业冻土冰含量测量方法试验研究

农业冻土中的冰含量作为冻土冻融过程的关键变量之一,影响着土壤水分动态变化、土壤养分流失和农田生态环境维稳等。根据质量守恒原理和体积变换关系,自制一种农业冻土冰含量测量的试验装置,进行-20、-25、-30℃和土壤含水率为15.7%、23.5%、31.4%的冰含量测量试验。结果表明,农业冻土样品中冰含量随冻结温度降低冰质量含量增加。冻结温度达到-30℃时,冰质量含量达到一个恒定的峰值。相同冻结温度不同含水率状态下,冰质量含量百分比趋于一个平均值,且最大值和最小值之差约为2%。

高地下水水位冻土区梯形渠道衬砌冻胀破坏断裂力学模型

冻胀荷载作用下初始裂纹的形成、扩展导致衬砌结构的断裂是寒区衬砌渠道冻害的主要原因之一。在已有研究基础上,综合考虑地下水水位影响的梯形渠道冻胀力学分析方法及线弹性断裂力学理论,提出高地下水水位梯形渠道冻胀断裂力学分析框架。该模型将衬砌结构表面初始裂纹的失稳扩展及开裂破坏简化为Ⅰ型断裂力学问题,并提出应力强度因子与危险截面位置的计算方法。以塔里木灌区某梯形渠道为原型分析地下水埋深w对衬砌各截面应力强度因子K_(FⅠ)(x)及合理板厚d r的影响规律。结果表明:地下水补给条件对K_(FⅠ)(x)的大小影响显著;当w减小时,K_(FⅠ)(x)呈非线性增大,此时渠道冻害风险也增大,与事实相符。地下水埋深越浅,保证结构安全所需衬砌板的合理厚度d r越大;当地下水埋深为3.0 m时,建议使用的合理板厚为9.0 cm。研究结果可为寒区渠道的抗冻胀设计提供科学依据。

冻融循环对季冻土区粉质黏土-混凝土界面剪切性能的影响

为探究季冻土区粉质黏土-混凝土界面剪切性能,进行了不同冻融循环次数、土体含水率和法向应力的粉质黏土-混凝土二元体冻融循环试验和直剪试验,探讨了界面抗剪强度、抗剪强度参数和抗剪强度损伤度的变化规律。结果表明:直剪试验得到的应力-应变曲线均发生应变硬化现象,可分为弹性变形阶段(剪切位移为0~3 mm)和弹塑性变形阶段(剪切位移为4~15 mm);冻融循环对界面抗剪强度有劣化作用,即通过对土体造成损伤,导致界面内摩擦角和黏聚力下降,从而降低界面抗剪强度;随着冻融循环次数增加,界面抗剪强度损伤度增加,当冻融循环进行0、4次,抗剪强度损伤迅速,冻融循环进行12~20次,抗剪强度损伤较缓,最大界面抗剪强度损伤度为25%;土体含水率的增加对抗剪强度有削弱作用,随着土体含水率的增加,界面内摩擦角降低,但黏聚力先增加后减小,当土体含水率为20.7%时,黏聚力达到最大值;法向应力的增加对抗剪强度有增强作用。

青藏高原降雨增加和气温升高对多年冻土水热动态贡献研究

在人类活动和全球气候变化驱动下,青藏高原气候整体呈现暖湿化变化趋势,由此引发的多年冻土活动层水热变化对寒区生态环境和寒区工程稳定性产生显著影响。目前,温度升高对多年冻土的影响机制较为明确,但降雨增加、降雨增加与气温升高共同作用下的多年冻土水热响应过程和机制尚不明确。在考虑雨水感热作用的地表能水平衡-冻土水热耦合模型的基础上,对比研究气温升高、降雨增加单一作用及其共同作用对活动层水热影响机制。结果表明:相比气温升高和降雨增加单一作用,暖湿化复合作用导致地表净辐射通量和蒸发潜热通量增长显著,地表感热降低更加明显,雨水感热影响较小,地表土壤热通量呈增加趋势;暖湿化复合作用下温度梯度液态水通量增长显著,基质势梯度液态水通量在浅层增幅也大于单独升温作用,但小于单一降雨增加作用,暖湿化导致暖季土壤含水率增幅小于单独降雨作用;暖湿化作用下活动层热传导通量在冷季增加显著且增幅小于单独升温作用,而液态水对流传热在暖季增加明显且增幅小于单独湿化作用;降雨增加促使土体暖季降温显著,暖湿化与单一气温升高均导致土体在冷季升温效果高于暖季;气温升高1.0℃引起多年冻土上限下移10cm,降雨增加100 mm促使上限抬升8 cm,暖湿化共同作用导致冻土上限下移6 cm;在暖湿化作用下,降雨增加对冻土降温作用较小,气温升高对冻土的升温效应仍占据主导。

变暖背景下砾石换填对多年冻土区机场跑道下地温场的影响

受气候变暖影响,东北北部地区冻融灾害频发,对寒区工程设施造成了重要影响。地基温度场的研究是分析与解决工程基础冻融灾害的重要手段。文中我们以漠河机场跑道为对象,通过有限单元法研究了洁净砾石换填对机场道基温度场的影响,并对运行30年内道基温度场进行预测。结果表明,换填使季节最大冻结深度(MSF)增加,且换填对道基下MSF的水平影响范围在道面中心线两侧30 m左右。之后,通过比较不同换填深度(1.5(顶)~3.5(底)、1.5~4.5、1.5~5.5和1.5~6.5 m)的道基温度场变化,发现:换填底部深度达到4.5 m时,MSF变化的速率开始减小。最后,根据IPCC第六次评估报告(AR6)未来100年间不同气候变暖速率模型模拟研究了无换填与不同换填深度下的MSF可能变化。结果发现,到2100年,在SSP2-4.5情景下,未换填及不同换填深度的道基下MSF分别为1.63、1.86、1.84、1.84和1.84 m。因此,利用换填法来减少跑道冻融灾害时换填深度应至少达到4.5 m。同时,应加强漠河机场道基地表水与该跑道区地下水的防排水设施建设与维运。研究结果有助于进一步认识换填对多年冻土和活动层水热状态的影响,可为解决道基冻胀和融沉问题提供重要科学依据。

冻土地区矿井水来源的水化学及环境同位素分析

冻土层季节性冻融过程会对地下水的渗流量、渗流方向和速度产生重要影响,进而导致冻土地区具有独特的地下水运移理论和机制。为了研究五九煤田胜利煤矿冻土地区矿井涌水来源及补给特征,采用水化学分析及^(13)C、^(14)C、^(18)O、D 4种环境同位素相结合的方法,分析矿井水的水化学特征及同位素分布特征,明确矿井涌水来源。通过对7组水样的试验研究发现:第四系水、第四系永冻层消融水、矿井水、基岩水均起源于大气降水,地表水、第四系水接受大气降水补给较快,基岩裂隙水、第四系永冻层消融水接受浅层第四系水的微量补给;采空区内黄铁矿氧化量较大,存在溶解少量瓦斯中CO_(2)的可能性,导致采空区积水中13C富集;矿井水中地表水和第四系水入渗量较小,表明第四系永冻层隔水性能良好。研究结果与实际情况相符,不仅为胜利矿水害防治提供依据,还为冻土地区类似矿井水源判别提供借鉴。

季节性冻土层埋地管道围岩稳定性分析

中国作为世界冻土大国,近一半国土含有不同种类的冻土,在油气管道的敷设过程中冻土、冻岩问题不可避免,因此研究埋地管道周围岩石稳定性十分重要。弹性模量是分析及评价岩石结构完整性与稳定性的重要指标,埋地管道围岩宏观及微观组成结构及分布特征等对岩石弹性模量有重要影响,目前研究存在一定不足。基于多孔介质表征单元体方法,建立了饱和冻岩弹性模量计算模型。利用所建模型,以砂岩体结构为例进行了模拟计算,分析了孔隙率、含水率以及通道构成系数等变化对岩石弹性模量的影响特性。结果表明:模型的弹性模量随孔隙率的增大呈下降趋势;当孔隙率恒定时,弹性模量随含水量的增大而减小,随通道构成系数的增大而减小。

基于GPR探测的长江源地区冰川与冻土厚度研究

长江源地区的冰川变化揭示了青藏高原气候变化趋势。冰下地形探测作为冰川发育和运动过程研究的基础,对长江地区水土保持和淡水资源储量研究具有指导意义。长江科学院在长达10 a的江源科考基础上,分别于2022年、2023年采用探地雷达(GPR)技术对长江正源沱沱河发源地格拉丹东主峰的冰川厚度进行精准探测,并对查旦湿地冻土厚度上限进行了探测研究。结合多种冰川和冻土地质模型的GPR波场模拟结果,提高了GPR技术在长江源地区冰川和冻土探测的有效性和精准度。探测结果表明,格拉丹东主峰冰川厚度和查旦湿地冻土厚度上限均有不同程度降低,冰川厚度和冻土厚度上限观测是一个常年积累的结果,后续仍需持续进行观测,积累更多数据,分析变化趋势,以估算探测区域内冰储量,研究气候变化对冰川的影响效果。

基于CiteSpace知识图谱的冻土路基研究现状与趋势分析

冻土路基的稳定性对于寒区公路与铁路的安全运营至关重要。为全面了解冻土路基领域的研究现状及发展趋势,利用知识图谱工具CiteSpace对中国知网和Web of Science数据库中冻土路基相关文献进行了可视化分析。检索时间范围为2000年1月1日—2023年8月31日,共纳入1 027篇中文文献和854篇英文文献。结果表明:自2000年以来,冻土路基研究的发文量总体呈增长趋势;从2017年开始,英文文献的发布数量逐渐超过中文文献,其中我国学者在国际期刊的发文量占到80%左右;国内研究机构之间合作较为密切,以中国科学院西北生态环境资源研究院和北京交通大学为核心的科研机构及院校在冻土路基的研究中起着主导作用,而国际机构间的合作还有待加强。关键词聚类与突现图谱表明,冻土路基的研究主要围绕多年冻土路基的稳定性、路基病害与补强措施、季节冻土路基的病害防治展开。近几年,冻土专家学者们聚焦于新型路基稳定措施,路基的水、汽迁移机理,以及高铁路基的冻胀防治研究,新材料、新技术及新结构不断被引入到冻土路基研究。未来随着新能源、材料学、人工智能、合成孔径雷达干涉测量(InSAR)等新一代技术与机械化的融合,冻土路基的稳定性补强措施和季节冻土路基的防冻胀措施会在提高效果的同时更加注重环保理念,冻土路基的施工、管理及监测也会不断向着数字化和智能化发展。

天然热释光测量技术在多年冻土区天然气水合物勘查中的应用

冻土区天然气水合物形成机理复杂,成因多源,发展多种捕捉微渗漏信息技术,提高勘查成功率是亟需解决的难题。本文首次把天然热释光测量技术应用于冻土区天然气水合物勘查中,利用RGD-6型热释光剂量仪测试了祁连山冻土区土壤样品热释光强度,总结出适用于木里冻土区天然气水合物勘查的加热程序,以及样品取样粒级。试验结果表明,祁连山冻土区土壤样品最佳取样粒级为-60~100目,最佳升温速率应设置为5℃/s,最佳升温区间为50~400℃。根据祁连山冻土区土壤天然热释光强度异常特征,圈定了天然气水合物在地表的异常边界,天然热释光强度异常模式为顶部异常,与烃类异常模式存在良好的对应关系。土壤天然热释光不受微生物的影响,灵敏度高,是一种很有前景的寻找天然气水合物的方法,在今后的冻土区天然气水合物资源勘查过程中可以将这种技术加以推广。

寒区冻土桩基承载特性研究现状与展望

冻土地区季节性的温度变化、大气升温以及人类工程活动加剧,常引起桩基冻胀融沉、倾斜、混凝土开裂等灾害,造成桩基的承载力降低,给寒区冻土桩基带来新的更大挑战。通过回顾国内外相关文献,对冻土桩基的承载性能目前的研究现状进行了总结。从特殊的冻土性质出发,描述了冻土桩基体系主要的受力形式及其作用特征;从桩–冻土界面力学特性试验及荷载传递机制两个方面,阐述了冻土区桩–土界面力学特性变化机制;从试验研究、理论分析以及数值模拟三个方面,阐明了冻土桩基承载性能变化规律及分析、预测方法;归纳了冻土区桩–土体系温度、水分、应力应变等方面的监测技术。对寒区冻土桩基承载特性未来的研究提出了展望。