高海拔严寒地区隧道冻害研究现状及展望

针对高海拔严寒地区隧道冻害问题,结合隧道冻害的相关研究,从冻害类型及原因分析、冻害机制、温度场、处置措施等4个方面的现状进行阐述和分析,对当前研究存在的不足和未来的发展方向进行探讨。主要成果为:1)通过对高海拔严寒地区隧道工程实例进行分析,总结4种冻害类型及4种冻害原因;2)基于含水风化层冻胀理论、整体性围岩冻胀理论、衬砌背后积水冻胀理论、裂隙水冻胀理论等4种冻胀理论,建立多年冻土区以整体性围岩冻胀理论为主、季冻区以裂隙水冻胀理论为主的多理论联合分析的方法;3)温度场研究方法分为现场监测、理论解析、模型试验、数值模拟等4种,其中现场监测是对洞内外温度进行监测,而理论分析、模型试验、数值模拟则是对监测结果进行验证分析;4)冻害处置措施有防排水措施、保温防寒措施、抗冻措施等3种,防冻的关键是将三者相结合进行综合治理;5)指出冻害机制适用性、温度场研究方法现状、处置措施适用性等方面的不足,未来应在高海拔严寒地区建立多种冻胀理论、多种研究方法综合应用的研究体系,并在隧道防排水、保温防寒、抗冻等方面给出处置措施。

基于数值天气预报因子扩充和改进集成学习的高寒地区短期光伏功率预测

高寒地区光伏系统因气象条件影响,其光伏功率表现出更显著的波动性。本文以黑龙江某光伏电站为例,提出基于数值天气预报(NWP)因子扩充和改进常规Stacking集成学习的高寒地区短期光伏功率预测方法。针对高寒地区光伏功率波动大的特点,引入NWP差分因子作为交叉特征,提升模型对天气变化的敏感性。随后,以极致梯度提升(XGBoost)和长短期记忆(LSTM)网络为基学习器,时间卷积网络(TCN)为元学习器,构建集成学习模型,并利用前向验证优化模型结构。最后,进行对比实验分析,结果表明本文所提方法具有更高的预测准确度和稳定性。

叶巴滩堆石混凝土二道坝温度应力仿真分析及温控措施研究

对位于高海拔地区的叶巴滩堆石混凝土二道坝工程开展全坝段温度应力仿真分析,重点研究大坝横缝分缝措施和混凝土表面保温措施对坝体温度应力的影响。结果表明:结构分缝措施可以降低坝体内部拉应力,设置1条横缝即可有效控制坝体内部高拉应力区范围,并使应力极值降低约0.8 MPa;混凝土表面保温措施可在秋冬季节显著降低大坝表层混凝土温降幅度,减小表层温度应力水平,使应力极值降低约0.6 MPa;叶巴滩二道坝设置1条横缝并采取表面保温可满足施工期温控要求。

基于神经网络的高寒地区CF_(4)和SF_(6)/CF_(4)检测

高寒地区须携带多台仪器以满足3种不同量级SF_(6)气体中CF_(4)气体浓度的检测需求,现场运维效率低且仪器购置成本高。为此,首先设计了一种基于热释电检测技术的SF_(6)气体中CF_(4)气体浓度检测仪器,可自动选择不同的放大电阻以实现多量程切换。然后提出了BP和PSO-BP2种神经网络温度-压力协同补偿模型,并通过搭建高效模拟实验平台为模型预测提供数据支撑,预测结果表明,PSO-BP神经网络优于BP神经网络。最后将PSO-BP神经网络温度-压力协同补偿模型内置于多量程检测仪器CF_(4)气体浓度检测仪器。模拟实验结果表明,该检测仪器在不同温度和压力下,小量程和大量程检测误差和重复性分别不超过±2%和1.6%,混合比量程下误差和重复性分别不超过±0.5%和0.2%,对高寒地区电网运维检修具有重要作用。

高寒地区细粒尾矿堆坝方案研究

以小兴安岭地区某尾矿库为例,开展了全尾矿湿排堆坝、全尾矿池填法堆坝和旋流器分级堆坝试验。结果表明,旋流器分级堆坝具有对比优势,可有效提高坝前尾矿的排水固结能力、增大干滩长度和坝前区域尾矿的强度,同时可形成较大的沉积滩坡度、保证安全超高,改善坝体渗流条件、提高滩面承载能力和堆坝效率。通过细化旋流器分级堆坝工艺,采用非冬季堆坝、冬季放矿的宽体子坝堆筑方案可在一定程度上解决沉积滩含水量大、承载力低、无法尾砂堆筑子坝等问题,但在粗砂利用率、高等级尾矿库子坝宽度、冻土发育等方面仍存在不足。最终结合旋流器分级宽体子坝和模袋法两种堆坝工艺,有效解决了尾矿库堆坝所面临的主要问题,可作为高寒地区细粒尾矿堆坝的高效方案加以推广。

高寒地区临时建筑布局和围护结构热工参数优化研究

为促进临时建筑在高海拔寒冷地区的应用,改善临时建筑供暖能耗过大的问题,以西藏拉萨地区为例,运用DeST软件动态模拟分析了3种不同布局对建筑负荷的影响程度,以期找到适应高寒气候的临时建筑优化设计方法。研究结果表明带阳光暖棚的口字形建筑布局在节能方面有较大优势且可以减小建筑不同房间的负荷差异,提高热舒适。此外,通过对口字形布局的建筑围护结构热工参数分析发现,宿舍屋面保温层最佳厚度为160 mm,地面保温层最佳厚度为150 mm,建筑外墙保温层最佳厚度为110 mm。进一步研究口字形布局长宽比对负荷影响,发现随着建筑长宽比增大,建筑全年累计热负荷明显减小。

高寒地区临时建筑冬季供暖系统技术经济性分析—以青海格尔木为例

临时建筑因其可拆卸移动、便于运输组装的特点,在高寒地区具有广阔的应用前景。但临时建筑本身的保温能力差,导致建筑供暖能耗大大增加,加之临时建筑使用寿命周期短。因此,在选择供暖方案时应更注重经济性与技术性的结合。利用DeST软件对某一临时建筑在青海格尔木地区气候条件下的全年冷、热负荷进行了动态模拟。模拟结果表明,该建筑在格尔木地区的全年累计热负荷为60287.58kWh,全年累计冷负荷为134052.39kWh,格尔木地区冷负荷约为热负荷的2.2倍,绝大部分冷负荷是由厨房炊事和暖棚造成的。当地夏季凉爽,自然通风即可改善室内热舒适而无需空调,故仅需考虑冬季供暖。在分析该临时建筑的采暖方案时,选取了分体式采暖、柴油取暖机、锅炉房+散热器三种采暖方案。柴油取暖机采暖方案的初始投资费用和年运行费用均为最低,分别为2.5万元和14.08万元。结合技术性和经济性综合分析,柴油取暖机为该临时建筑的最优采暖方案。

高寒高海拔地区冬季混凝土骨料加热技术研究

目前,中国正处于新能源快速发展、建设的时期,随着风电、光伏等新能源项目的开发建设,很多新能源工程处于高原寒冷地带当中,混凝土骨料的应用会受到一定的限制,技术人员需要运用相应的加热技术展开施工。在高寒高海拔地区,冬季气温十分寒冷,常常会降至零下甚至更低,这种极端的气候条件对于混凝土施工带来了一定的困难,尤其是混凝土骨料在低温条件下容易结冰,导致混凝土的质量受到影响,而研究高寒高海拔地区冬季混凝土骨料加热技术具有重要的实际意义。因此,本篇文章对于高寒高海拔地区冬季混凝土骨料加热技术及措施的应用展开了相应的研究。

高原寒冷地区水泥混凝土道面破坏形式及影响因素研究

水泥混凝土道面是我国常用、重要的道面结构形式,在机场、公路等交通工程,以及电力、水利、房建等基础工程领域占有极高比例,其结构稳定性对工程建设与运维的安全性有着直接显著影响。将我国高原寒冷地区的水泥混凝土道面工程作为关注点,首先,归纳了断裂类、位移类、接缝类和表层类等四类道面破坏形式,以及不同地区破坏形式演化特征差异;其次,分析了环境、设计、材料、施工、荷载等五方面因素对道面破坏的具体影响;最后,阐述了道面在内在与外在两个层次下的破坏机理。

高海拔气候环境下碾压混凝土重力坝施工期开裂风险分析

DG水电站位于高寒高海拔地区,气候环境复杂。为研究施工期碾压混凝土温控防裂问题,选取DG水电站厂房坝段为研究对象,采用三维数值仿真模拟技术进行施工期大坝温度场和温度应力计算,以及气温骤降、昼夜大温差对坝体影响的敏感性分析。研究结果表明:气温骤降、昼夜大温差在坝体表面分别产生约1.4,0.9 MPa的拉应力,易在坝体表面引起裂缝;为了减小由此引发的混凝土开裂风险,采用混凝土表面保温防护措施之后,坝体表面温度应力相应得到显著改善,拉应力分别减少至约0.3,0.4 MPa。

高寒山区地质灾害季节分区InSAR早期识别研究——以东构造结地区为例

高寒山区显著存在的季节性地貌变化,使得常规InSAR难以维持长时间相干性,不利于上述区域地质灾害的精准早期识别。针对该问题,本文提出并发展了一种利用InSAR季节相干性的高寒山区地质灾害早期识别方法。其基本思路为:首先获取研究区域InSAR时序干涉图与相干系数图,依据InSAR相干性变化趋势,将每年划分为夏季时段、过渡时段和冬季时段,并依据过渡时段InSAR相干性将其进一步纳入到夏季时段或冬季时段;分别对夏季时段和冬季时段InSAR干涉对开展Stacking-InSAR处理,并引入部分干涉质量较好的长时间基线InSAR干涉对;最终综合利用获取的夏季和冬季时段Stacking-InSAR成果,开展区域地质灾害的精准早期识别工作。本文以高寒高植被覆盖的东构造结地区为实验对象,利用本文发展的新方法开展了区域地质灾害的早期识别工作。结果显示,利用季节分区Stacking-InSAR进行区域地质灾害识别,冬夏时段识别灾害的重复率低于16%,表明上述区域不同时节地质灾害类型存在明显差异;进一步与常规全干涉Stacking-InSAR灾害识别成果对比发现,新方法识别灾害数量增加了28%。研究表明,发展新方法可更精准识别高寒山区地质灾害,并有效提高灾害识别率,为此类地区的地质灾害早期识别和预警预防提供了一种新思路和新方法,也为高寒山区地质灾害的防灾减灾提供了重要的技术支撑。

高海拔高寒地区堆石混凝土坝温度应力仿真分析与温度监测

叶巴滩二道坝是首个水电工程堆石混凝土过水建筑物及高海拔高寒地区大型堆石混凝土坝工程,对堆石混凝土技术在高海拔高寒严酷环境及水电行业的推广应用具有示范引领作用。采用有限元法对叶巴滩堆石混凝土二道坝典型坝段施工期和运行期的温度场、应力场进行全过程仿真分析,并通过现场试验仓温度监测,验证仿真分析的可信性。分析结果表明:堆石混凝土坝“42 m”与“21 m”坝段宽度方案相比,坝体温度场分布与量值基本相同,应力场分布规律类似,但由于“42 m”坝段宽度大,散热条件不利,表面抗冲耐磨混凝土在冬季会出现超过允许拉应力值的区域,存在开裂风险;冬季在坝体表面采取保温养护措施,表面抗冲耐磨混凝土拉应力有较为明显的降低,均在应力允许值范围内。最大坝段宽度采用42 m是合理的,并可取消内部温控措施,只需在冬季时采取相应外部保温措施即可。现场监测的水化温升远小于仿真分析的绝热温升值,说明坝体实际整体应力水平更低,验证了仿真分析的可信性。

高寒地区深厚覆雪钢波纹板棚洞减载优化设计

为解决隧道入口覆雪钢波纹板棚洞在深厚积雪荷载作用下变形过大的问题,以新疆某隧道为工程依托,提出了制造两侧冰柱、制造上侧冰拱、冰柱冰拱耦合、冰柱冰拱聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene,EPS)板耦合4种减载优化设计方案,并使用有限元软件ABAQUS分析4种方案的受力变形情况及可行性。结果表明:4种减载优化设计方案均极大地降低了钢棚洞的应力和变形,结构应力和变形满足设计规范允许值;马斯顿的“等沉面”土压力理论可以应用于堆积雪体中,增大内外雪柱沉降差,降低结构所受竖直压力;柔性填料EPS板在高覆雪工况中有一定的减载效果,但并没有在高填方土体中效果显著,在高覆雪工况中减载优先推荐加密钢波纹板棚洞周围雪体来达到减载的效果。

高海拔地区新型区域自动气象站常见故障及处理方法

为了进一步提高高海拔地区区域自动气象站运行效率,提高维护保障时效,文章详细梳理了新型区域自动气象站数据采集系统、供电系统、通信系统和各气象观测传感器频发的故障,并归纳总结了典型故障及处理方法,以确保区域自动气象站数据的准确性和及时性,为基层装备保障工作提供参考。

高海拔寒区沼泽土地层隧道边仰坡锚杆加固效果分析

通过有限元数值模拟软件对比分析了边仰坡加固前后隧道进洞时边仰坡的稳定性,对仰坡位移、塑性区分布、仰坡安全系数和锚杆轴力分布进行了分析。边仰坡在进行加固后位移及塑性区范围减小,隧道进洞施工对其稳定性影响减小;隧道进洞50 m时仰坡加固前后安全系数分别为1.3和1.55,安全系数有较大提升;根据锚杆轴力随其长度分布规律得出边仰坡在隧道施工扰动下是沿浅层滑动面的破坏。

气候变暖对高寒阴湿地区春小麦生长发育和产量的影响

利用甘肃省岷县农业气象观测站1987—2004年的观测资料,探讨了气候变暖对高寒阴湿雨养农业区春小麦生长发育和产量的影响。结果表明:近18年来该地区气候变化呈明显的暖干化趋势,并且变暖的幅度和速率远远大于全国近50年的平均值,春小麦对气候变暖的响应表现在生长期缩短、产量增加;春小麦整个生长过程中,温度升高对各发育阶段的影响不完全一致,各阶段变暖对产量及产量构成要素的影响也存在差异,开花-乳熟期的温度增加和产量的相关性最大,达到极显著水平(P<0.01);出苗-拔节期、开花-成熟期的温度增加以及拔节-孕穗期的温度降低,是引起每穗籽粒数增加而不孕小穗率减少,最终导致产量增加的直接原因;春小麦生长期间日平均气温每升高1℃,生长期缩短约9.2d,产量增加约26.2%;预计随着未来气候进一步变暖该地区的春小麦生长发育和产量将会继续受到影响。

高海拔严寒地区特长公路隧道保温层铺设长度研究

随着我国西部大开发的不断深入,在高海拔严寒地区规划和修建的隧道工程越来越多,且隧道长度越来越长。洞口段合理的保温层铺设长度是高海拔严寒地区特长隧道抗冻设计与建设的关键问题。目前,我国对高海拔严寒地区特长隧道纵向温度分布规律尚无系统研究,保温层铺设长度多以经验计算或工程类比为主。以G317线雀儿山隧道为例,参考鹧鸪山隧道竣工通车后洞口段现场实测温度数据变化规律,对雀儿山隧道洞口段保温层铺设长度进行分析。结果表明:确定寒区隧道保温层铺设段长度时,特别是对于特长隧道,应考虑隧道内年平均温度的变化以及温度振幅的衰减;按照鹧鸪山隧道的年平均气温和洞内气温年振幅实测数据变化幅度,考虑1.2的安全系数,建议雀儿山隧洞口保温层铺设长度取为900 m。事实上,保温层铺设长度与隧道曲线形式、隧道长度、海拔高度、地热梯度以及隧道交通量、断面、交通模式、通风模式等诸多因素有关,因此,高海拔严寒地区特长隧道保温层铺设长度有待进一步通过现场实测数据进行对比分析研究。

天山公路边坡岩体质量评价TSMR体系研究

天山公路地处高寒高海拔地区,冻融作用十分强烈。因此,在对天山公路沿线边坡进行稳定性评价时必须考虑冻融作用的影响。在天山公路沿线100余个边坡统计分析的基础上,以RMR,SMR及CSMR岩体质量评价体系为框架,运用数理统计分析手段对坡高修正系数ξ及结构面条件系数λ进行系统的调整,并引入冻融系数δ,建立适用于天山公路的边坡岩体质量评价体系TSMR。同时,TSMR体系还根据边坡的稳定性等级提出针对性的支护建议。应用结果表明,TSMR体系误判率远低于SMR体系,因此更适合于高寒高海拔地区公路边坡稳定性的评价。

高寒区引水渠道抽水融冰不冻长度计算模型及应用

抽水融冰技术是解决高寒地区引水渠道冰害的重要措施,广泛应用于新疆的红山嘴、金沟河和青年水电站以及青海省的香加水电站。该文根据水流热平衡理论,综合考虑水力、热力、气候等条件对不冻长度影响,从理论上得到了不冻长度的计算公式,并用工程实测资料进行了验证,结果表明:引水渠道不冻长度计算结果与原型实测值符合较好,最小误差6.2%,最大误差29.5%;不冻长度与渠道来水流量、井水注入量、井水水温、大气温度、日太阳辐射量成正比,与风速、大气饱和差、日降雪量成反比;其中,渠道来水流量对不冻长度影响较小,井水注入量、大气温度、风速等对不冻长度影响较显著;且保持其他条件不变,井水注入量每增加0.02 m3/s,不冻长度以400 m递增;大气温度每降低5℃,不冻长度减小幅度为16.1%~31.3%;风速从0.5 m/s增加到6.0 m/s,不冻长度减小幅度为4.3%~53.0%;此研究可为解决寒区水电站引水渠道冰灾防治问题提供科学依据。

秸秆覆盖对高海拔寒区土壤温度和春青稞生长的影响

为探明秸秆覆盖对高海拔寒区农田土壤温度和作物生长的影响,对春青稞进行了田间小区试验研究。秸秆覆盖量设置为0（CK）、5 000（M1）、10 000（M2）、15 000 kg/hm2（M3）,共4个处理。试验结果显示,地表秸秆覆盖可显著调节土壤温度。与CK处理相比,秸秆覆盖可降低春青稞苗期日均土壤温度2.8~3.9℃,而提高其他生育期土壤温度0.4~1.8℃。秸秆覆盖显著降低了春青稞苗期和拔节期株高（2.29%~16.53%）和干物质量（3.98%~25.93%）,增大了灌浆期和成熟期的株高（3.12%~10.31%）和干物质量（2.17%~18.26%）。秸秆覆盖显著减小了0~20 cm土层的根密度,增大了其他深度的根密度。秸秆覆盖显著增大了春青稞千粒质量（4.65%~13.95%）和籽粒产量（4.30%~13.50%）,但在一定程度上也降低了穗长和穗粒数。整体而言,秸秆覆盖量（M1~M3）对土壤温度的影响不显著而对春青稞生长参数（除穗长和穗粒数外）的影响显著。秸秆覆盖有利于春青稞幼苗的茁壮生长及其籽粒产量的提高。