多年冻土区线性工程的生态环境影响研究现状与展望

在多年冻土区,线性工程(公路、铁路、输油管线、输电线路等)的修建和运营对沿途周边的冻土热状态、土壤理化性质、水文过程以及陆面过程产生显著影响,生态环境发生明显改变并对冻土的工程稳定性产生显著影响。冻土工程作用下的生态环境变化是冻土学近年来研究的热点之一,通过文献综述,对冻土区线性工程的主要特征,以及近几十年来工程影响下冻土环境和植被变化研究进展与现状进行了总结和归纳,在此基础上,探讨了多年冻土区工程建设存在的主要生态问题。目前,生态环境各要素对工程的反馈研究十分丰富,但是生态环境要素与工程相互作用的机理、过程的研究还需完善。在以后的研究中应重点拓展有效的监测手段,为冻土区生态环境监测和研究服务;同时,在深入理解寒区工程建设对生态环境作用机理、过程基础上,积极开展冻土区工程环境容量阈值评估以及生态环境变化预测研究,为寒区大规模工程建设与生态环境和谐发展提供理论支持与对策建议。

改良红层工程性能与环境耐久性研究进展

红层在我国东南、西南、西北地区广泛分布,因其膨胀收缩性、遇水崩解性、岩体软弱性等特点,往往不能直接作为填料应用于路基工程,必须进行物理或化学改良处理。通过文献调研,本文从红层崩解机理、工程改良方法、改良效果及环境耐久性等方面对国内外研究进行了梳理。并结合现有研究,提出未来应加强环境荷载(如干湿、冻融作用)及静、动荷载单独或耦合作用下改良红层的耐久性研究。

多年冻土区热融湖塘演化及其环境效应研究进展

近几十年随着全球气候变暖及人类活动的增强,冻土退化趋势显著,这一过程改变了寒区的水文地质条件,从而引起一系列的生态环境变化。热融湖塘是冻土退化的产物,其形成与发展又会引起冻土环境的改变,进而对全球气候变化产生影响。因此,针对多年冻土退化过程中日趋严重的热喀斯特现象,以及由此而产生的冻土融穿、地下水位改变、热融湖塘扩张等问题,对目前多年冻土区热融湖塘的水文变化研究现状进行分析整理。本文主要从以下五个方面展开了论述:(1)热融湖塘演化过程及主要影响因素分析;(2)热融湖塘水文过程时空变化规律及影响因素分析;(3)热融湖塘水量平衡过程研究及影响因素;(4)热融湖塘变化对区域水质的影响;(5)热融湖塘对碳循环的影响。最后,提出在后期研究中应基于同位素技术,充分考虑湖塘周边环境,并结合气候变化、多年冻土退化状况进行多因素分析,以期能为深入开展研究冻土退化背景下冻土水文过程、区域水资源演变以及对生态环境的影响提供参考依据。

森林大火对冻土环境影响的研究进展

森林大火是森林生态系统最主要的干扰因素之一,不仅影响着森林生态系统内部的营养物质循环、水分和能量流动、土壤理化性质的变化,而且对冻土环境和冷生土壤和土壤碳库、碳氮循环等生物地球化学过程有着重要影响。随着气候变暖和人为活动不断增强,北方林区火灾日益频繁,对冻土的水热影响显著:活动层加深、薄层冻土退化、浅层有机碳大量快速释放、森林和湿地的逆向演替,导致热融沉陷、滑塌、泥石流等现象发生。通过综述国内外森林大火对冻土环境影响的研究进展,分析指出目前森林大火对冻土环境影响的研究主要集中在火烧之后短时间、小范围的定性描述与推断,缺乏长时间、大范围的定量分析。尤其是在大兴安岭地区,除了20世纪90年代初期的少量研究外,此后这方面研究虽有零星报道,但缺乏长期和系统的观测与模型研究,所以森林大火对冻土环境的研究,可以利用空间代替时间的方法,通过长、短期的野外观测和数值模拟相结合,定量研究森林大火之后,多年冻土的水热状态、过程和变化机制,可以为寒区林区、湿地保护、生态环境修复提供科学依据。

西北地区红层泥岩崩解特性试验研究

针对西北地区红层泥岩设计了一套自由浸水崩解装置,对不同质量的红层泥岩试块进行自由浸水试验。考虑试块的吸水过程,将试块吸水率作为崩解试验结果的补偿,研究不同质量红层泥岩试块的崩解率、崩解速率随时间变化规律。结果表明,测试红层泥岩膨胀性矿物含量较少,其崩解的前30%时间内崩解率可达45%~75%,前50%时间内崩解率可达68%~90%,崩解总时间T与试块质量m满足T=a*(1-e^(-b*m)) 关系。随着试块质量增加,试块崩解速率越大,且崩解的前50%时间内崩解率增加显著。

近地表水汽密度对多年冻土区地表辐射的影响研究——以北麓河地区为例

气候暖湿化背景下,青藏高原地区大气水汽含量的增大通过影响地表辐射进而影响多年冻土地表能量分配及其热稳定性。以青藏高原中部北麓河地区的气象数据与活动层水热数据为基础,分析了2 m处空气相对湿度和夏季典型降雨事件对地表反照率及辐射四分量的影响。结果表明:大气水汽通过削弱太阳短波辐射,吸收地面长波辐射,增加向下长波辐射,进而降低地表反照率。大气水汽对地表辐射的影响具有明显的季节性特征,夏季大气水汽对太阳短波辐射的削弱作用最明显,并且发射的向下长波辐射较多;冬季大气水汽对太阳短波辐射的削弱作用相对较弱,发射向下长波辐射较少。在研究时段内北麓河地区夏季和冬季空气相对湿度每增加10%,太阳短波辐射日均值分别减少54.9和9.8 W/m^(2),向下长波辐射日均值分别增加14.8和3.9 W/m^(2)。秋季空气中水汽含量的变化对地表反照率的影响最大,秋季空气相对湿度每减小10%,地表反照率增加0.15;春季最小,春季空气相对湿度每增加10%,地表反照率仅降低0.01。夏季不同典型降雨事件导致近地表水汽密度和浅层土壤含水量增大,使地表反照率降低。夏季不同类型降雨事件对地表反照率的影响程度表现为:大雨>中雨>小雨。研究结果为暖湿化气候背景下青藏高原中部多年冻土区地表能量平衡分析提供参考。

湿干循环作用对冻土-复合土工布界面常法向应力剪切特性的影响试验研究

土工合成材料广泛应用于寒区工程建设,但土体与材料界面的剪切强度是其薄弱环节。受降雨、灌溉等因素影响,土体在一定深度范围内经历湿干循环作用。为研究湿干循环作用对冻土与土工合成材料界面剪切强度的影响,本文基于控温直剪仪对粉质黏土-复合土工布在常法向应力条件下界面剪切特性开展试验研究,试验因素包括湿干循环次数、温度和法向应力。结果表明,常温条件下湿干循环对界面剪切强度有劣化作用,负温条件下界面剪切强度随湿干循环次数增大整体呈现增大趋势,经过一定循环次数后趋于稳定。湿干循环作用下界面黏聚力和内摩擦角的变化规律与界面剪切强度变化规律相对应,而界面黏聚力的变化是引起剪切强度变化的主要因素。通过对剪切强度的影响变量及其交互作用进行显著性分析,发现法向应力、冻结温度和湿干循环次数均对剪切强度有强显著影响,法向应力和温度的交互作用以及温度和湿干循环次数的交互作用也对剪切强度有显著影响。本文研究成果可为复合土工布在冻土工程中的应用提供参考。

青藏高原不同高寒生态系统类型下多年冻土活动层水热过程差异研究

基于青藏高原北麓河地区高寒草原、高寒沼泽草甸和高寒草甸生态系统下多年冻土活动层水热过程的监测数据,对活动层水热过程特征开展了相关研究。研究结果显示,在活动层厚度、冻融时间、持续时间以及活动层土壤水分含水量分布方面,不同的高寒生态系统下活动层的上述属性特征差异明显。高寒草原下多年冻土活动层厚度最大,土体开始融化的时间最早,每年持续融化的日数也最长;高寒草甸最小,高寒沼泽草甸居中。高寒草原下活动层土壤含水率从上到下逐渐增加,水分基本集中在活动层的中下部分;高寒沼泽草甸下活动层土壤水分的分布情况相对比较均衡;高寒草甸下活动层土壤含水率分布呈现从上到下逐步减少的模式,越靠近地表土壤含水率越大。对监测数据的进一步分析发现,不同的高寒生态系统下,近地表地温与气温温差累计值、近地表土壤有机质含量、n因子特征以及近地表地温标准差统计特征都具有明显的区别。研究分析表明,多年冻土活动层水热过程特征与高寒生态系统类型具有明显的关联性,高寒生态系统会影响近地表能量通量,从而使地-气热量交换产生差异,这一差异又将改变活动层土壤温度、水分分布特征及其动力学过程。

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0.20%。固化剂含量小于0.30%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(0.20%)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44.4%和27.8%,固化效果明显。碱性固化土力学性质变化更显著,说明碱性固化剂更适合对青藏黏土进行改良。

高海拔多年冻土区路基工程行为对低温多年冻土长期影响的监测研究

青藏铁路路基创造性采用了主动冷却路基的设计理念修建而成,目前铁路已经安全运营超过10年。青藏铁路路基修筑在多年冻土之上,路基下部冻土温度变化是衡量路基是否稳定的关键因素。基于长期(2008—2019年)地温观测资料,对昆仑山垭口南坡青藏铁路K980+000低温多年冻土区块石路基坡脚至坡脚外30 m范围内的冻土上限变化、年际地温变化、季节性地温变化进行分析,研究了路基工程行为对低温多年冻土的长期影响机制。结果表明:冻土地温不断升高,冻土上限逐年下移;与天然孔比较,路基坡脚处地温增温幅度反而较小,主要可能受块石路基冷却效应的影响;冷季与暖季呈现出不对称的增温趋势。冻土路基普遍增温的趋势仍然存在,出于对多年冻土的保护与保证工程稳定性的考虑,应尽量采用冷却路基的思想修建路基。同时,应加强对路基的监测,分析长期增温过程后路基稳定性变化,并对路基下部冻土的变化做出定量研究。

青藏工程走廊多年冻土场地地震安全性研究进展

宽度不到10 km的青藏工程走廊穿越长约550 km的多年冻土区,承载了青藏铁路、青藏公路等重要生命线工程,同时,该地区强震多发,工程设施未来遭遇地震作用的风险较大。围绕青藏工程走廊多年冻土区这一特殊研究区域,从地震危险性分析和多年冻土场地地震动特征研究两方面对青藏工程走廊多年冻土区场地地震安全性研究现状进行回顾,并介绍最新研究进展。基于青藏工程走廊地震危险性对比分析结果,分别给出50年和100年超越概率63%、10%、2%的青藏工程走廊基岩地震动区划图,并转换得到50年超越概率10%的青藏工程走廊一般场地PGA区划图,与第五代中国地震动参数区划图相比,PGA=0.2g的范围有所扩大。场地反应分析结果表明,多年冻土场地地震动特征与冻土层温度及厚度、季节融化层厚度、冻土夹层厚度及其埋深有关。完全冻结场地地震动特征主要受冻土层温度和厚度影响,季节融化场地地震动特征主要受季节融化层厚度和多年冻土层厚度影响,多年冻土夹层场地地震动特征主要受冻土夹层厚度及埋深影响。研究结果可为青藏工程走廊内多年冻土区地震灾害风险区划、重大冻土工程地震安全性评价、寒区新建工程抗震设防及已有工程设施抗震加固等提供参考。

坡向对青藏高原土壤环境及植被生长影响的实验研究

坡向差异导致不同坡面近地表水、热及能量平衡过程存在较大差异,进而影响了土壤环境及高寒植物的生长。基于青藏高原花石峡冻土观测基地建设的具有八个坡向的工程实体(简称八棱台),在6年后进行现场测量和实验测试,研究了坡向对青藏高原高寒植被生长环境及特性的影响。结果表明:各坡面近地表(10 cm和30 cm深度)土壤温度由高到低为:南坡>东南坡>西南坡>西坡>东坡>西北坡>东北坡>北坡,即相对朝阳坡面(东、东南、南和西南)温度明显高于相对背阳坡面(西、西北、北和东北)温度。而0~30 cm深度的土壤含水量朝阳坡面与背阳坡面之间差异不明显。地上植被长势(包括株高、覆盖度和地上生物量)朝阳坡面优于背阳坡面;地下植被长势(包括根深和地下生物量)朝阳坡面劣于背阳坡面。0~10 cm深度土壤有机碳和全氮含量基本是朝阳坡面高于背阳坡面;全磷含量朝阳坡面小于背阳坡面;各坡面之间全钾及速效养分的差异不显著(P>0.05)。总体来看,高寒地区温度对植被生长及养分分布的影响更为显著。研究结果为不同坡向植被修复和能量平衡研究提供了参考资料。

多年冻土区森林大火对生态服务功能的影响研究

在气候变暖背景下,大兴安岭森林大火导致多年冻土退化,植被发生更新和演替,对森林生态系统服务功能造成重要影响。文中选取大兴安岭北部多年冻土区满归和阿龙山火烧区为研究对象,通过定量方法计算了林火后,固碳释氧效益损失;净化环境效益损失,包括吸收SO_2和粉尘净化价值;水文效益损失,包括防洪和涵养水源效益;小气候效益损失;保护野生生物以及游憩效益损失。研究发现,满归和阿龙山火烧后,生态系统服务效益损失重大。其中,固碳释氧效益和净化环境效益损失较大,分别占总效益损失的42.34%和41.94%;水文效益和保护野生生物效益损失较小,分别为2.82%和0.80%;小气候效益和游憩效益居中,分别占8.61%和3.49%。即使针叶林生态系统恢复到阔叶林生态系统,净化环境效益损失仍然可达69.3%。由此看来,保护多年冻土区的针叶林,减少森林火灾的发生对维持多年冻土区森林生态系统的稳定性和可持续发展至关重要。

寒区工程保温材料等温吸湿性能实验研究

保温材料的平衡含水量是影响其导热系数、抗压强度、渗透性能等参数的关键因素。为分析保温材料的吸湿特性,以寒区工程中常用的3种保温材料为基础,开展等温吸湿性能试验,分析评价7种吸湿模型的适用性,提出保温材料等温吸湿曲线最优拟合公式。实验结果表明,不同保温材料的等温吸湿性能差异明显。相对湿度越大,吸湿速率越大,达到平衡含水率的时间越长。在相同湿度下,福利凯保温板的吸湿量是聚氨酯硬质泡沫的2倍,是挤塑聚苯乙烯板的5倍以上。相对其他预测模型,Peleg模型能够很好的描述保温材料的等温吸湿过程。试验成果可为研究保温材料性能劣化机理及其热湿耦合分析提供基础数据支撑。

冻土未冻水含量与其微结构相关试验分析研究

在既定负温下冻土中未冻水和固相冰的动态关系与其初始含水率密切相关,冻土中未冻水含量的改变直接影响了其微观结构的变化,加强不同初始含水率下冻土的未冻水含量与微观结构的定量关系研究对于揭示冻土特殊的物理力学性质具有重要的意义。本文利用新型冷冻扫描电镜对既定负温不同初始含水率(11.8%、23.1%、32.2%、42.2%、54.1%、64.2%、74.8%)下的冻结黏土进行微观结构测试,揭示了不同初始含水率下冻土微观结构的演化特征。同时,利用核磁共振技术测试不同初始含水率和不同温度下冻土的未冻水含量变化过程,探讨了既定负温下初始含水率对冻土未冻水含量与其微结构之间的定量关系。研究结果表明:冻结黏土含水率在液限范围内,随着初始含水率的增加,孔隙结构由集合物间孔隙向粒间孔隙发育,含水率超过液限后,随着初始含水率增加,超集合物间孔隙开始发育,并且在同一负温条件下,随着初始含水率的增加,孔隙分形维数和孔隙面积随之增大;对于高温冻土,随着初始含水率的增加,孔隙分形维数随未冻水含量的增加而增加,对于低温冻土,孔隙分形维数随未冻水含量的减少而增加;最后,建立了不同试验条件下冻土微观结构与其未冻水含量的经验方程,为揭示冻土特殊物理力学特性提供理论基础。

东北多年冻土区公路路基工程研究进展

在气候变暖和人类工程活动共同作用下,东北多年冻土退化显著,进而影响到修建于多年冻土之上公路路基的稳定性。回顾了东北多年冻土区公路路基工程研究的现状和进展,对路基设计原则存在的问题及近期需要开展的冻土相关研究工作进行了讨论并提出建议。

现浇混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验研究

关于混凝土-冻土接触面的力学强度研究多集中于预制成型混凝土样(块)与冻土接触面的力学试验研究,而与工程实际更为接近的冻土中现浇混凝土、冻结稳定后混凝土-冻土接触面的力学强度研究则少有涉及。基于冻土中现浇混凝土的试验方式,开展了不同水灰比、含冰量及冻土温度条件下,混凝土-冻土复杂接触面冻结强度的直剪试验研究。结果表明:试验条件下,由于混凝土中粗、细骨料导热系数及水化热侵蚀强度不同,冻土中现浇混凝土会导致混凝土-冻土接触面发生起伏变化。受该因素影响,粗糙接触面较光滑接触面的冻结强度增大71.9%。粗糙接触面引起的应力集中,使得剪应力在剪切破坏过程中出现间歇性增大、跳跃。在冻结强度构成中,随接触面粗糙程度的增大,φ值对冻结强度增长的贡献要大于c值。水灰比由0.4增至0.6,混凝土导热系数降低,生成接触面趋于光滑,冻结强度减小;土体含水量由15%增大至30%时,冻结强度增大,含水量继续增大至40%时,冻结强度减小;在不同温度条件下,整体呈现冻土温度降低冻结强度相应增大的趋势。基于上述结果,多年冻土区灌注桩设计时,建议混凝土采用0.4~0.5水灰比。

冻土水热力耦合研究现状及进展

开展冻土水热力三场耦合研究对解决寒区工程问题具有重要的理论指导意义。归纳了冻土水热力耦合的理论基础,认为目前的水分迁移驱动力假说仍然不能很好地解释水分迁移现象,分凝冰的形成机制及判据仍需进行深入的研究。分类和评价了常见的正冻土水热力耦合模型,发现流体动力学模型虽然能够很好地描述水热迁移现象,但未考虑非连续冰透镜体;而较复杂的刚冰模型虽然考虑了冻结缘内水热迁移耦合现象,但是参数众多;热力学模型从微观角度描述了冻土水热力并考虑孔隙吸力,但仍存在参数众多的问题。同时,对预融膜理论在冻土水热力耦合问题中的应用进行了分析和展望,认为可以借助预融膜理论对冻土水热力耦合中的能量、水分迁移驱动力以及迁移速率等进行描述。最后,基于冻土水热力三场耦合研究现状及存在的问题,提出了冻土水热力耦合研究的总体构想:研究与实际情况相符同时适用于稳态及非稳态的通用数学表达式,开展冻土物理学各个参数的动态变化研究,纳入非饱和土体在冻融过程中的水热力相互作用研究,实现水热力在真正意义上的耦合,同时,加强预融膜理论在大尺度、陆面过程以及水热边界等方面的应用研究。

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。

冻融循环对冻土–混凝土界面冻结强度影响的试验研究

为研究冻融循环作用对冻土–混凝土界面冻结强度的影响,对不同冻融循环次数、法向应力、试验温度及土体初始含水率条件下的冻结界面进行了系列直剪试验,研究经历冻融循环后界面峰值剪切强度、残余剪切强度及强度参数的变化规律。试验结果表明:冻融循环对界面剪切应力与水平位移曲线形态影响很小,经历20次循环后曲线仍是应变软化型。冻融循环对峰值剪切应力的影响强于对残余剪切应力的影响,表明其对界面胶结冰含量产生影响。当土体初始含水率较低且温度较高时,冻融循环使界面峰值剪切强度增加,但变化量较小。然而在含水率较高(20.8%)及试验温度较低时(-5℃),峰值剪切强度随着冻融循环增加而降低。因此在土体含水率较高且冻结温度较低时,对于发生小变形的冻结界面需要重视冻融循环对峰值剪切应力的影响。不同初始含水率、试验温度下冻融循环对残余剪切强度的影响较小且变化规律不明显。在试验温度为-1℃,-3℃,-5℃时,峰值黏聚力随冻融循环增加分别表现为增加、波动和下降,推测是由于界面胶结冰含量不同而引起。峰值摩擦角和残余摩擦角随冻融循环次数增加略有变化。