作者姓名:張明義
  論文題目:多年凍土區(qū)氣冷路基長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性研究
  作者簡(jiǎn)介:張明義,男,1974年10月出生,2003年9月師從于中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所賴遠(yuǎn)明研究員,于2007年7月獲博士學(xué)位。

  中文摘要

  世界多年凍土面積約占全球陸地面積的25%,我國(guó)多年凍土面積約占國(guó)土面積的22.4%。對(duì)于多年凍土區(qū)的道路而言,成敗的關(guān)鍵在路基,路基成敗的關(guān)鍵在凍土,凍土的關(guān)鍵問(wèn)題是融沉。而通過(guò)采取有效工程措施保護(hù)多年凍土,避免凍土路基的融沉,確保道路的長(zhǎng)期穩(wěn)定,正是解決這一關(guān)鍵凍土問(wèn)題的有效途徑,也是多年凍土區(qū)道路工程建設(shè)中最為重要和復(fù)雜的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題之一。為應(yīng)對(duì)氣候轉(zhuǎn)暖對(duì)凍土道路工程穩(wěn)定性的影響,加強(qiáng)病害防治,基于“主動(dòng)冷卻地基”的思路,對(duì)于塊碎石路基與管道通風(fēng)路基這兩種新型結(jié)構(gòu)的研究就顯得尤為重要。由于這兩種路基都是通過(guò)調(diào)節(jié)大氣與路基間的對(duì)流換熱來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)路基自身及其下部地基土的冷卻降溫作用,因此將這兩種路基統(tǒng)稱為“氣冷路基”。
  本文緊密結(jié)合凍土工程領(lǐng)域的國(guó)際前沿問(wèn)題,以青藏鐵路工程為依托,對(duì)多年凍土區(qū)塊碎石路基和管道通風(fēng)路基這兩種氣冷路基的降溫機(jī)理及長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究,研究成果具有突出的創(chuàng)新性和重要性。在理論上,揭示了氣冷路基的降溫機(jī)理,提出了新的計(jì)算方法和數(shù)學(xué)模型;在應(yīng)用上,針對(duì)寒區(qū)重大工程中的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問(wèn)題,提出了有效的解決方法,成果已在青藏鐵路工程中得到應(yīng)用并取得良好效果。這些成果對(duì)我國(guó)凍土區(qū)筑路關(guān)鍵技術(shù)起到了重要的推動(dòng)作用。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新性成果如下:?
  1.?揭示了塊碎石路基的降溫機(jī)理,確定了塊碎石路基結(jié)構(gòu)的最佳降溫粒徑。
  為了查明在風(fēng)的作用下塊碎石路基的傳熱特性,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn),對(duì)不同形狀的塊碎石層在封閉和開(kāi)放邊界條件下的降溫效果、降溫機(jī)理和降溫粒徑進(jìn)行了研究。
  研究結(jié)果表明,在風(fēng)的作用下,邊界狀態(tài)對(duì)塊碎石層降溫效果和降溫機(jī)理有著決定性的影響:封閉邊界的塊碎石層,當(dāng)滿足一定條件時(shí)內(nèi)部有自然對(duì)流發(fā)生,具有明顯的熱半導(dǎo)體特性;而開(kāi)放塊碎石層的熱量傳遞主要是依靠強(qiáng)迫對(duì)流,熱半導(dǎo)體特性不顯著。研究還發(fā)現(xiàn),頂部封閉方形塊碎石層底部溫度周期較差很小,最佳降溫粒徑范圍約為20~30?cm;而對(duì)于頂部開(kāi)放方形塊碎石層,隨著粒徑的增大,底部溫度周期較差增大,但周期平均溫度降低。用于護(hù)坡的開(kāi)放傾斜塊碎石層在考慮太陽(yáng)輻射增溫的條件下,粒徑在6~30?cm范圍內(nèi),迎風(fēng)條件下主要以強(qiáng)迫對(duì)流換熱與接觸熱傳導(dǎo)為主,降溫效果隨粒徑的增大而加強(qiáng);而背風(fēng)條件下,在環(huán)境溫度較低時(shí)自然對(duì)流降溫效應(yīng)也不容忽視,粒徑為21~23?cm時(shí)降溫效果最好。
  2.?考慮外界風(fēng)的作用,提出了多年凍土區(qū)開(kāi)放邊界塊碎石路堤速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算方法,解決了青藏鐵路塊碎石路堤流體-固體耦合傳熱的計(jì)算難題。
  多年凍土區(qū)路堤中的塊碎石層多處于開(kāi)放狀態(tài),其內(nèi)部對(duì)流換熱模式直接受到外界風(fēng)的作用。因此,運(yùn)用多孔介質(zhì)中不可壓縮流體對(duì)流換熱的連續(xù)性方程,非達(dá)西流動(dòng)量方程及能量方程,考慮外界風(fēng)的作用,建立了多年凍土區(qū)開(kāi)放塊碎石路堤對(duì)流換熱數(shù)學(xué)模型,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了模型是合理可靠的,從而解決了達(dá)西定律在空氣流速較大時(shí),計(jì)算誤差增大的問(wèn)題與不足。
  采用本模型對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)開(kāi)放塊碎石路堤速度場(chǎng)及未來(lái)50年的溫度變化特征進(jìn)行了數(shù)值研究。研究結(jié)果表明:開(kāi)放塊碎石路堤以強(qiáng)迫對(duì)流換熱為主;在年平均氣溫為-4.0?℃,考慮未來(lái)50年青藏高原氣溫升高2.6?℃條件下,開(kāi)放塊碎石路堤對(duì)下部多年凍土具有積極的保護(hù)作用,但不同的結(jié)構(gòu)形式長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性不同:1)?傳統(tǒng)道碴路堤的修筑將會(huì)引起下部多年凍土的嚴(yán)重退化;2)?開(kāi)放塊碎石夾層路堤降溫效果及長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性較好,并且較高路堤的降溫效果好于較低路堤。但由于主導(dǎo)風(fēng)向的影響,較高路堤下溫度場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)較嚴(yán)重的橫向不對(duì)稱問(wèn)題,而較低路堤則無(wú)此現(xiàn)象發(fā)生;3)?開(kāi)放塊碎石護(hù)坡路堤降溫效果主要集中在坡腳,路堤中部相對(duì)較弱,長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性相對(duì)較差。
  3.?建立了多年凍土區(qū)封閉邊界塊碎石路堤對(duì)流換熱數(shù)學(xué)模型,研究了塊碎石路堤在特殊封閉條件下的傳熱特性和降溫效果。
  由于復(fù)雜的野外條件,開(kāi)放塊碎石路堤往往會(huì)被風(fēng)沙、積雪等覆蓋或人為封堵,在塊碎石層內(nèi)形成一個(gè)特殊封閉系統(tǒng),其內(nèi)部對(duì)流換熱模式與開(kāi)放系統(tǒng)截然不同。因此,為研究在這種特殊封閉條件下塊碎石路堤的傳熱特性,基于多孔介質(zhì)非達(dá)西流滲流理論建立了多年凍土區(qū)封閉塊碎石路堤的對(duì)流換熱模型,并以室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果證明了模型是合理可靠的。
  運(yùn)用本模型對(duì)青藏鐵路多年凍土區(qū)封閉塊碎石路堤的速度場(chǎng)及未來(lái)50年的溫度場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。研究結(jié)果表明,封閉塊碎石路堤內(nèi)部空氣以自然對(duì)流換熱為主;未來(lái)50年氣溫升高2.6?℃條件下,封閉塊碎石路堤仍對(duì)下部?jī)鐾辆哂蟹e極的保護(hù)作用,但不同的結(jié)構(gòu)形式降溫效果和長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性存在明顯差異:1)?封閉塊碎石夾層路堤隨著塊碎石層上部填土厚度的增大,內(nèi)部空氣自然對(duì)流減弱,降溫效果變差,當(dāng)填土過(guò)厚時(shí)其長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性不易得到保證;
  2)?封閉塊碎石護(hù)坡路堤的降溫特點(diǎn)為坡腳處降溫效果較好,中部相對(duì)較弱,長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性不理想;3)?封閉U形塊碎石路堤能夠有效保護(hù)下部多年凍土,確保道路的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性。
  4.?建立了多年凍土區(qū)管道通風(fēng)路堤氣-固耦合傳熱模型,解決了在外界風(fēng)作用下通風(fēng)管內(nèi)空氣對(duì)流換熱的計(jì)算問(wèn)題。
根據(jù)管道通風(fēng)路堤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及對(duì)流換熱方式,運(yùn)用對(duì)流、傳導(dǎo)及流-固耦合傳熱理論,建立了管道通風(fēng)路堤三維非線性氣-固耦合傳熱模型,并以野外實(shí)測(cè)資料證明了模型是合理可靠的。本模型解決了通風(fēng)管內(nèi)外空氣的對(duì)流換熱以及管內(nèi)空氣與管壁間的耦合傳熱計(jì)算問(wèn)題。
  根據(jù)青藏高原多年凍土區(qū)氣象和地質(zhì)條件,采用本模型對(duì)青藏鐵路管道通風(fēng)路堤未來(lái)溫度場(chǎng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析,結(jié)果表明:管道通風(fēng)路堤(通風(fēng)管軸線距天然地面1.0?m,內(nèi)徑0.4?m,管軸線間距2.0?m)在初始年平均氣溫為-4.0?℃,未來(lái)50年氣溫升高2.6?℃條件下,在修筑完成后的短期內(nèi)不能有效消除路堤填筑對(duì)下部多年凍土產(chǎn)生的熱擾動(dòng),但從其長(zhǎng)期效果來(lái)看,通風(fēng)管總體處于放熱狀態(tài),有利于降低周圍土體溫度,因此,這種管道通風(fēng)路堤能夠有效地保護(hù)下部多年凍土,確保道路的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定。
  5.?提出了在高溫多年凍土區(qū)能有效保護(hù)下部多年凍土的“U形塊碎石路堤”結(jié)構(gòu),消除了氣候變暖對(duì)青藏鐵路的影響問(wèn)題。
  多年凍土區(qū)高塊碎石路堤經(jīng)常出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題:一個(gè)是開(kāi)放條件下路堤溫度場(chǎng)不對(duì)稱,造成路堤的橫向不均勻變形;另一個(gè)是封閉條件下路堤降溫效果不理想。為此,提出了一種“U形塊碎石路堤”結(jié)構(gòu)。數(shù)值研究結(jié)果表明:在青藏鐵路高溫多年凍土區(qū),考慮未來(lái)50年氣溫上升2.6?℃的情況下,該路堤仍可以在其下部土層中形成低溫凍土核,將凍土上限抬升至塊碎石層底部。因此,在高溫多年凍土區(qū),如按保護(hù)多年凍土的設(shè)計(jì)原則,這種“U形塊碎石路堤”是一種長(zhǎng)期、安全、可靠的結(jié)構(gòu)形式。這種路堤結(jié)構(gòu)既可有效降低土體溫度,消除氣候變暖的影響,又可解決路堤下溫度場(chǎng)不對(duì)稱問(wèn)題,為保持高溫多年凍土區(qū)路堤的穩(wěn)定性提供了重要的技術(shù)保障。
  6.?提出了在路塹基底換填塊碎石的新方法,為確保高溫、高含冰量多年凍土區(qū)路塹的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性提供了新的技術(shù)措施。
  路塹結(jié)構(gòu)也是青藏鐵路多年凍土區(qū)一種重要的路基結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)對(duì)青藏鐵路北麓河試驗(yàn)段路塹溫度場(chǎng)及病害的分析發(fā)現(xiàn),在高溫多年凍土區(qū)修筑路塹,用低含水量粗顆粒土換填,并在基底換填土層中增設(shè)保溫材料的結(jié)構(gòu)形式,會(huì)造成其下部?jī)鐾恋纳郎?,很難保證道路的安全穩(wěn)定。因此,提出了保溫路塹和塊碎石換填路塹兩種結(jié)構(gòu)形式:保溫路塹是在邊坡與基底的換填土層中均鋪設(shè)保溫材料,為被動(dòng)保溫措施;塊碎石換填路塹是在邊坡?lián)Q填土層中鋪設(shè)保溫層,基底以塊碎石換填,是一種主動(dòng)冷卻措施。數(shù)值研究結(jié)果表明,在高溫多年凍土區(qū)或退化型低溫多年凍土區(qū)進(jìn)行挖方,當(dāng)下部多年凍土含冰量較低時(shí),可以考慮使用保溫路塹結(jié)構(gòu),但當(dāng)含冰量較高時(shí),塊碎石換填路塹可以作為一種能夠有效保護(hù)下部多年凍土的結(jié)構(gòu)形式,并具有較好的長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性。

  關(guān)鍵詞:氣冷路基;對(duì)流換熱;流-固耦合傳熱;熱穩(wěn)定性;多年凍土